面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法

IPC分类号 : B64G4/00I

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CN201910048978.8

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专利摘要

本发明提供了一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法，通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；通过设计仿生柔性操控臂驱动电路，实现SMA收缩与拉伸，完成柔性操控臂的运动控制与柔性操作，为柔性臂结构机构及其柔性操控在空间在轨服务与维护中的应用提供了可靠的理论基础和技术支持。使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定。以解决传统空间关节机械臂和桁架蛇形臂难以满足受限区域、外界冲击下的非合作目标精细柔性操控需求。

权利要求

1.一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统，其特征在于，包括:

通信控制模块：通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；

电流驱动模块：采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；

电源模块：使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定；

所述通信控制模块包括PC上位机、MCU下位机，所述通信控制采用串口通信；

PC上位机通过串口通信将控制信号传输给MCU下位机，MCU下位机接收控制信号后，将控制信号发送至电流驱动模块进行电平转换；

所述电流驱动模块包括电平转换模块、SMA驱动模块；

电平转换模块接收控制信号，通过电平转换将控制信号转变为高电平信号，所述高电平信号送达至MOS管，使得MOS管导通；

MOS管导通使得SMA驱动模块中SMA驱动电路构成回路，PC上位机控制通电时间和通电的SMA驱动电路，对柔性臂进行姿态控制；

控制信号传输方向为PC上位机至MCU下位机，再至IO口电平，再至电平转换芯片，再至MOS管开关，再至SMA,以此传输完成从上层到驱动机构下层的控制信号传递；

MCU下位机内部包括以下方面：

a)嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，用于存储程序和数据；多达64KB的嵌入式SRAM以CPU的时钟速度进行读写，不待等待状态；

b)外部中断/事件控制器EXTI：外部中断/事件控制器由用于产生中断/事件请求的边沿探测器线组成；每条线被单独配置用于选择触发事件或者被单独屏蔽；有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态；当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到；多达112个GPIO连接到16个外部中断线；

c)时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟；选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功；在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止；同时，如果有需要，PLL时钟的中断管理完全可用；

d)Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入；Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程；

e)电源供电方案：VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器；VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内，ADC被限制在2.4V，VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD；VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电，通过电源切换实现；

f)电源管理：设备有一个完整的上电复位POR和掉电复位PDR电路；这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作；当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备保持在复位模式；设备特有一个嵌入的可编程电压探测器PVD，PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断；中断服务程序产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态；PVD由软件使能；

g)电压调节：调压器有3种运行模式：主MR，低功耗LPR和掉电；MR用在调节模式，LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗，寄存器和SRAM的内容不会丢失。

2.根据权利要求1所述的面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统，其特征在于，所述PC上位机调用通信代码，匹配对应的串口通信接口，发送控制信号至MCU下位机；

所述MCU下位机循环等待上位机发送的控制信息，接收控制信息后，则采用缓存区对控制信息进行解析，得到控制编号，通过控制编号控制对应的SMA驱动电路。

3.根据权利要求1所述的面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统，其特征在于，所述通电时间设置为一次请求接收控制信息的时间，通电时间周期为10s。

4.一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动方法，其特征在于，包括:

通信控制步骤：通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；

电流驱动步骤：采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；

电源步骤：使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定；

所述通信控制步骤包括PC上位机、MCU下位机，所述通信控制采用串口通信；

PC上位机通过串口通信将控制信号传输给MCU下位机，MCU下位机接收控制信号后，将控制信号发送至电流驱动步骤进行电平转换；

所述电流驱动步骤包括电平转换步骤、SMA驱动步骤；

电平转换步骤接收控制信号，通过电平转换将控制信号转变为高电平信号，所述高电平信号送达至MOS管，使得MOS管导通；

MOS管导通使得SMA驱动步骤中SMA驱动电路构成回路，PC上位机控制通电时间和通电的SMA驱动电路，对柔性臂进行姿态控制；

MCU下位机内部包括以下方面：

a)嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，用于存储程序和数据；多达64KB的嵌入式SRAM以CPU的时钟速度进行读写，不待等待状态；

5.根据权利要求4所述的面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动方法，其特征在于，所述PC上位机调用通信代码，匹配对应的串口通信接口，发送控制信号至MCU下位机；

6.根据权利要求4所述的面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动方法，其特征在于，所述通电时间设置为一次请求接收控制信息的时间，通电时间周期为10s。

说明书

技术领域

本发明涉及柔性机械臂驱动领域，具体地，涉及一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法。

背景技术

柔性臂机器人由于其高自由度、低耗、质轻等特点，在机器人应用领域占有重要地位，柔性机械臂是柔性机器人中能够自身弯曲抓取物体的连续型仿生机器人，通常仿生灵感来源于蛇类、章鱼以及象鼻或动物触须等结构，在医疗、探测、救援等领域有着很广泛的应用价值。国际上对于柔性臂机器人的大量研究始于20世纪80年代，1983年的NASA报告当中首次提出应当建立一种可以在空间中自由运动的柔性臂机器人，以适应在轨维修、空间清理以及物资补给等需求。基于上述概念，NASA给出一个名为Telepresence Servicer Unit的概念设计。目前关于柔性机器人的大部分研究还处于理论和实验阶段，只有少数的柔性臂机器人可以应用到实际生活当中。

柔性机器人作为一种新型的仿生机器人，有着广阔的研究价值和应用前景，受到越来越多的研究者们的重视，而其中的柔性驱动器的设计开发成为了柔性机器人在各类环境下运动及工作的关键，同样受到了广泛的关注。作为仿生机器人，柔性机器人是模仿大自然中动物的肌肉或骨骼结构来建立其驱动结构。根据驱动的原理不同，驱动器的驱动方式可以分为物理驱动和化学驱动。柔性机器人的物理驱动也称为机械驱动，其物理过程中的能量转化的特点与传统物理驱动方式类似。柔性机器人的物理驱动器主要包括：启动驱动器、电活性聚合物(EAP)或者形状记忆合金(SMA)丝、弹簧等。柔性机器人的化学驱动驱使机器人运动的方法是利用其化学反应而将化学能转化为机械能从而带动柔性机器人运动。另外，按照驱动器材料的工作机理来区分，柔性驱动器又可分为：压力驱动器、电活性聚合物驱动器、类肌腱驱动器。其中，压力驱动器是利用辅助设备装置在复合结构的空腔中产生压力，驱使复合结构发生弯曲或变形；电活性聚合物是通过利用外界磁场分布的变化来驱使聚合物发生弯曲变形，EAP的这种工作原理可以使其独立作为柔性驱动器的驱动材料来实现机器人的弯曲变形；类肌腱驱动器利用其驱动材料的收缩带动柔性驱动器实现运动，这种驱动器的工作原理是采用细长的绳索类驱动材料或传动设备与柔性结构组合。

柔性驱动器的设计作为柔性机器人应用的关键技术，决定柔性机器人的工作机理和使用环境。近年来，虽然新型智能材料的兴起涌现以及3D打印技术的蓬勃发展使得柔性驱动器的控制更加精准、制作更加方便，其应用研究得到了很大程度的进步发展，但是现有材料性能的稳定性还不能彻底满足柔性驱动器的变形要求，其驱动还有很大的改进空间。目前，柔性机器人一般采用气动、绳索、EAP或SMA丝、弹簧等材料作为其主要的驱动方式。

在柔性臂领域，大部分研究工作的控制方法比较初步，一般都是使用开环的方式，人为设置运动指令来控制柔性臂的运动。在柔性机器人的各大类型中，连续型机器人的控制方法研究相对比较容易，这是由于连续型机器人的模型比较容易建立，有不少学者成功将传统控制器设计手段应用到这类机器人中。随着人工智能的发展，机器人的智能控制越来越引人关注，基于学习的控制方法逐渐兴起，也开始尝试应用于柔性臂中。因此到目前为止，柔性臂的运动控制研究大致可分为两大类：基于模型的方法与基于学习的无模型方法。

基于模型的运动控制器目前主要在连续性柔性臂中被广泛研究，大部分只是基于模型的方法依据等曲率假设，因为复杂的模型计算量太大了，不利于实际应用。虽然等曲率假设比较简单且忽略了许多条件，但它目前对于均匀低质量柔性臂来说，是最可靠的一种运动学建模的方法。针对这类柔性臂的运动控制，针对构型空间的反馈控制器是非常重要，它对于柔性臂的滞后性质等是一个必要的控制精度补偿手段。

无模型方法的好处在于能够避免去构建柔性臂的复杂模型，而且其学习出的关系能够涵盖几乎所有的柔性臂构型。甚至是一些噪声，一些很复杂的现实场景中的关系，无模型方法也能够一并把关系构建出来。这也是为什么无模型方法在针对非线性，非均匀或在非结构化环境中工作的机器人系统非常适合的原因，上述这些情形会导致系统模型特别复杂。但是，在结构化环境中，基于模型的方法仍旧是更为精确与可靠的。此外，无模型方法的黑盒特性，使得其稳定性分析以及收敛证明是非常困难的，这给实际应用带来了风险。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法。

根据本发明提供的一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统，包括:

通信控制模块：通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；

电流驱动模块：采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；

电源模块：使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定。

优选地，所述通信控制模块包括PC上位机、MCU下位机，所述通信控制采用串口通信；

PC上位机通过串口通信将控制信号传输给MCU下位机，MCU下位机接收控制信号后，将控制信号发送至电流驱动模块进行电平转换。

优选地，所述电流驱动模块包括电平转换模块、SMA驱动模块；

电平转换模块接收控制信号，通过电平转换将控制信号转变为高电平信号，所述高电平信号送达至MOS管，使得MOS管导通；

MOS管导通使得SMA驱动模块中SMA驱动电路构成回路，PC上位机控制通电时间和通电的SMA驱动电路，对柔性臂进行姿态控制。

优选地，所述PC上位机调用通信代码，匹配对应的串口通信接口，发送控制信号至MCU下位机；

优选地，所述通电时间设置为一次请求接收控制信息的时间，通电时间周期为10s。

根据本发明提供的一种面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动方法，包括:

通信控制步骤：通过PC上位机与MCU下位机进行通信控制，模拟空间在轨服务的柔性臂通信；

电流驱动步骤：采用MOS管进行电路开关控制，通过电平转换和SMA驱动电路，以设定时间内对柔性臂进行电流驱动；

电源步骤：使用直流稳压电源供电，使SMA驱动电路稳定。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明设计了空间仿生柔性操控臂驱动平台系统技术，可用于基于形状记忆合金(SMA)的仿生柔性操控臂性能评估与验证。通过设计仿生柔性操控臂驱动电路，实现SMA收缩与拉伸，完成柔性操控臂的运动控制与柔性操作，为柔性臂结构机构及其柔性操控在空间在轨服务与维护中的应用提供了可靠的理论基础和技术支持。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的系统模块组成示意图；

图2为本发明的框架示意图；

图3为电平转换模块示意图；

图4为基于运动模型的运动规划控制框图；

图5为基于学习的运动规划控制框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

传统空间关节机械臂难以满足受限区域、外界冲击下的非合作目标精细柔性操控需求。本发明面向空间碎片、废弃卫星、外来天体等轨道清理需求，采用类章鱼柔性仿生臂实现目标抓捕操控。空间柔性机构因为其高自由度以及高弹性，非常适用于空间在轨服务与维护这一非结构化且对安全性上具有较高要求的应用场景。

本发明针对仿生空间柔性操控臂的运动控制与柔性操作建立了一套适配柔性操控臂的驱动系统，提供了面向空间复杂环境情况下快速且高效的驱动控制平台。以下是对本发明空间仿生柔性操控臂硬件驱动平台系统的介绍：

如图1所示，本发明分为三个模块，通信控制模块(上位机和下位机)、电流驱动模块(电平转换、MOS管开关电路和SMA驱动机构)和电源模块(电信号发生器)。

其中，通信控制模块包括PC上位机和MCU下位机，PC上位机配置：处理器：Intel i7-7700，显卡：GTX1060，RAM：8GB，硬盘：1TB，与下位机通信接口：USB接口。MCU下位机采用单片机，采用基于AMR操作系统的单片机开发板，其开发板MCU基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM M7内核。本发明采用的是ARM Cortex-M7内核，拥有1024kb的flash内存，用于存贮用户数据。丰富合理的外设，合理的功耗，合理的价格。外设引脚及外接功能模块十分丰富，如蓝牙、wifi、串口通信、OLED显示屏等模块。MCU下位机内部包括以下方面：

a)嵌入式Flash存储器和RAM存储器：内置多达512KB的嵌入式Flash，可用于存储程序和数据。多达64KB的嵌入式SRAM可以以CPU的时钟速度进行读写(不待等待状态)。

b)外部中断/事件控制器(EXTI)：外部中断/事件控制器由用于19条产生中断/事件请求的边沿探测器线组成。每条线可以被单独配置用于选择触发事件(上升沿，下降沿，或者两者都可以)，也可以被单独屏蔽。有一个挂起寄存器来维护中断请求的状态。当外部线上出现长度超过内部APB2时钟周期的脉冲时，EXTI能够探测到。多达112个GPIO连接到16个外部中断线。

c)时钟和启动：在启动的时候还是要进行系统时钟选择，但复位的时候内部8MHz的晶振被选用作CPU时钟。可以选择一个外部的4-16MHz的时钟，并且会被监视来判定是否成功。在这期间，控制器被禁止并且软件中断管理也随后被禁止。同时，如果有需要(例如碰到一个间接使用的晶振失败)，PLL时钟的中断管理完全可用。

d)Boot模式：在启动的时候，Boot引脚被用来在3种Boot选项种选择一种：从用户Flash导入，从系统存储器导入，从SRAM导入。Boot导入程序位于系统存储器，用于通过USART1重新对Flash存储器编程。

e)电源供电方案：VDD，电压范围为2.0V-3.6V，外部电源通过VDD引脚提供，用于I/O和内部调压器。VSSA和VDDA，电压范围为2.0-3.6V，外部模拟电压输入，用于ADC，复位模块，RC和PLL，在VDD范围之内(ADC被限制在2.4V)，VSSA和VDDA必须相应连接到VSS和VDD。VBAT，电压范围为1.8-3.6V，当VDD无效时为RTC，外部32KHz晶振和备份寄存器供电(通过电源切换实现)。

f)电源管理：设备有一个完整的上电复位(POR)和掉电复位(PDR)电路。这条电路一直有效，用于确保从2V启动或者掉到2V的时候进行一些必要的操作。当VDD低于一个特定的下限VPOR/PDR时，不需要外部复位电路，设备也可以保持在复位模式。设备特有一个嵌入的可编程电压探测器(PVD)，PVD用于检测VDD，并且和VPVD限值比较，当VDD低于VPVD或者VDD大于VPVD时会产生一个中断。中断服务程序可以产生一个警告信息或者将MCU置为一个安全状态。PVD由软件使能。

g)电压调节：调压器有3种运行模式：主(MR)，低功耗(LPR)和掉电。MR用在传统意义上的调节模式(运行模式)，LPR用在停止模式，掉电用在待机模式：调压器输出为高阻，核心电路掉电，包括零消耗(寄存器和SRAM的内容不会丢失)。

本发明的通信采用串口通信的方式，用于模拟空间在轨服务的柔性臂通信功能。在通常的通信实验中，通信方式可选择串口通信、蓝牙通信或红外通信等，但是由于柔性臂驱动平台的独特性质，低延时，高鲁棒等特点，本发明最终选取了串口通信作为主要的通信方式。其物理链接接口位于开发板下位机的左下角，分为USB232和USB SLAVE接口模式，实际操作中采取的串口接口为USB 232，可直接与PC端上位机相连，并通过串口程序界面进行两端的通信。常用的串行通信接口标准有RS-232C、RS-422、RS-423和RS-485。其中，RS-232C作为串行通信接口的电气标准定义了数据终端设备(DTE:data terminal equipment)和数据通信设备(DCE:data communication equipment)间按位串行传输的接口信息，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围内得到了广泛的应用。本发明中主要使用TXD、RXD、RTS和CTS。

电流驱动模块包括MOS管开关电路、电平转换电路、SMA驱动电路。本发明采用MOS管作为柔性操控臂驱动平台的核心开关电路组件，为N沟道MOS管，其电气特性为V_GS:2～4V。由于单片机普通IO口输出的3.3V电平不能完全将其导通，因此在IO口电平输出信号后添加了电平转换模块。MOS管的工作原理可简单描述为把输入电压变化转化为输出电流的变化，其增益比定义为输出电流的变化和输入电压变化之比，属于电压控制电流期间，场效应管的栅极基本不需要电流。相比起传统三极管开关电路，在控制端IO口一侧不需要过大电流的情况下，MOS管更适合整个硬件驱动系统的要求。同时，场效应管具有更高的稳定性，更小的信噪比和更快的响应速度，因此我们采用了MOS管作为本发明驱动系统的电路开关模块。电平转换电路中，本发明空间柔性操控臂驱动平台系统中采用的电平转换方法为外围元件增压芯片模块，相比于传统的电阻分压和线性稳压电源芯片，后者成本较低且结构简单，但是电信号精度较低、无功功耗较大、输出电压信号波动较大，前者是较简单方便的一类电源转换芯片方法为兼顾稳定性、精确性和便利性。因此，我们使用了电平信号转换芯片。该芯片具有成本较低、波纹小、电磁干扰小、无需额外外围电路等优点。SMA驱动电路中，本发明平台系统中所使用的执行机构-柔性驱动材料是形状记忆合金shape memory alloy(SMAs)，该材料相比于其他柔性材料如electro active polymers(EAPs)和pneumatic artificial muscles(PAMs)，具有更大的形变量、形变力度及更短的响应时间。在本发明的单节空间仿生柔性臂实物中，达到了柔性模块单元直径小于50mm，柔性模块单元质量小于微机电柔性臂40％。同时，本发明中的驱动平台系统通过对下位机IO口电平输出的时间控制，达到了SMAs受热收缩的效果，完成了面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动平台系统仿真实验。

电源模块使用了直流稳压电源信号发生器作为外围电路的供电源，其电源指标为：直流电压0～15V，直流电流0～5A。在本发明的验证实验中，指定电压供给3～5V，单根SMA回路0.9～1.1A，能够稳定地使驱动电路完成操作行为，并具有可重复操作行。

本发明主要面向空间碎片、废弃卫星、外来天体等轨道清理，采用类章鱼柔性仿生臂实现目标抓捕操控。柔性机构因为其高自由度以及高弹性，非常适用于空间在轨服务这一非结构化且对安全性上具有较高要求的应用场景。同时本发明主要面向与柔性机械臂的驱动控制，通过驱动平台的通电时间对柔性记忆合金材料SMA完成形变控制，配合上层感知、规划和控制算法，达到对柔性臂系统自动化、智能化控制。以柔性操控臂的高自由度、高形变量来弥补传统刚性机械臂的缺点，本系统可用于人工、半人工和全自主控制，具有操控性好、延迟低、响应快、操作方便等优点。

本发明平台主要基于ARM开发板，增加外围电路开关模块、电平信号转换模块等搭建而成，其控制信号传输流程为：PC上位机--->MCU下位机--->IO口电平--->电平转换芯片--->MOS管开关--->SMA,以此流程完成从系统上层到驱动机构下层的控制信号传递。为后续仿生柔性臂的自动智能对准和非合作目标抓取打下基础。

本发明设计了一套可靠高效的空间仿生柔性操控臂的控制驱动平台，并通过仿真实验的方法完成了对柔性臂模块单元进行了功能性验证。通过上位机发送的控制指令对SMA柔性臂单元进行操控，验证了驱动平台的可行性和可靠性。均达到预定的控制驱动指标和要求。本驱动平台模块功能完整，且能对柔性臂进行功能性验证驱动，为目前的柔性机械臂操控，SMA柔性臂模组的设计和研究提供了重要的技术基础。

下面是对本硬件驱动平台系统的操作过程作详细说明：本操作过程是以本驱动平台发明为前提进行实施，下文将给出详细的实施过程和操作方法，但本柔性臂驱动平台系统的保护范围不限于下述的操作实施过程。

本发明针对仿生空间柔性操控臂的控制驱动搭建了一套适配驱动系统，提供了快速高效的运动控制与操作平台，以解决传统空间关节机械臂和桁架蛇形臂难以满足受限区域、外界冲击下的非合作目标精细柔性操控需求。本驱动系统面向空间碎片、废弃卫星、外来天体等轨道清理，采用类章鱼柔性仿生臂实现目标抓捕操控。柔性机构因为其高自由度以及高弹性，非常适用于空间在轨服务这一非结构化且对安全性上具有较高要求的应用场景。本发明通过简化，并模拟太空在轨服务或极端条件等，给出了复杂环境的柔性操控臂平台驱动实例过程，使用本发明的空间仿生柔性操控臂驱动平台实现单节操作臂的功能性验证。

本实例模拟复杂环境下，柔性操控臂驱动平台的验证实验，使用本发明的空间仿生柔性操控臂驱动平台实现单节操作臂的功能性验证。如图1所示是本发明的系统驱动平台模块连接示意图，图2展示空间柔性臂功能模块框架。其模块组包括PC上位机、MCU下位机、电平转换模块、SMA驱动模块和直流稳压信号源模块。系统信号传输流程如下，PC上位机的上层算法经过感知模块，规划模块和控制模块，通过串口通信总线将控制信号传输给MCU下位机。下位机在收到控制信号命令后，拉高对应SMA回路的电平，IO口输出3.3V，经过电平转换芯片转变为5V的电信号，到达MOS管开关模块。MOS管开关在接收到驱动电压过后，处于完全导通状态(导通电压为2～4V)，由外接稳压直流源构成的SMA回路通电，其通电时间由PC上位机的上层算法控制。SMA在通电情况下，通过焦耳定律Q＝I²Rt估计产生的热量,其中I代表SMA所在回路的电流大小，R表示单根SMA的电阻大小(经实验测量为1欧左右)，t表示SMA回路通电时间。一般情况下，SMA在通电5s左右就会发生形变，积累热量15s左右能够达到最大的形变量。下面我们将详细介绍本发明系统平台的工作流程

步骤1，PC端上位机运行上层算法，通过在程序里调用通信代码，匹配对应的串口通信接口，发送上层算法逻辑的输出，例如需要1号SMA通电受热收缩以完成柔性臂弯曲的动作。则PC端上位机通过通信接口发送“1”的指令传输至等待接受命令的MCU下位机，即本发明中所使用的开发板平台。

步骤2，下位机MCU一直循环等待上位机的指令，一旦得到上位机发送的命令后，将在缓存区对指令进行分析。例如收到信息为“1”号SMA通电，下位机MCU立即拉高“1”号SMA对应的P7引脚IO口的电平，为3.3V的高电平，传输至电平转换芯片的4号引脚。

步骤3，电平转换芯片在输入3.3V高电平信号后，通过外围的5V和3.3V电压对电压信号进行升压，将3.3V的门信号电平转换为5V的门信号电平，并输入MOS管开关电路模块

步骤4，MOS管开关电路模块在得到5V的开启电压后，MOS管完全导通(其完全导通电压阈值为4V)，由外围直流稳压源提供电流的SMA导通回路构成。通过上层算法控制通电时间和通电的SMA号数以达到对柔性操控臂的姿态控制，例如本例是控制“1”号SMA进行收缩。

步骤5，本次实例中的参数设置为每一次请求接收的时间为10s，每个通电周期为10s，即出发“1”号SMA对应的IO口为高电平并持续10s，10s后再次由MCU下位机与PC上位机交互，并确认传输的指令信息是否改变，若无改变，则返回步骤1重复执行本实例，若指令信息改变，则在步骤1中将对应指令信息修改并以此进行其他步骤。直到柔性臂末端对准目标物为止，为今后的前端机械手抓取合作与非合作目标如轨道垃圾等打下基础。

本实例提供了面向与在轨服务的空间仿生柔性操控臂的硬件驱动平台搭建过程、方法及模块介绍，针对于空间在轨、复杂环境下的柔性机械臂操控提出了一种切实可行的驱动方法及硬件结构。柔性机构因为其高自由度以及高弹性，非常适用于空间在轨服务这一非结构化且对安全性上具有较高要求的应用场景。基于电流信号驱动，受热形变的SMA材料具有较高的科研与应用价值，在柔性操控臂的发展和实验验证中扮演了十分重要的角色。本发明中的硬件驱动平台具有较高可操作性、较低延时、控制信号稳定和成本低廉等优点，可对单节柔性操控臂进行功能验证性实验，实现单节臂的开环规划和控制。通过PC上位机的简单指令信息就能实现实时低对柔性臂中的SMA进行操控，操作过程简单，且延时在100ms以内。本实验样例完成了对SMA硬件驱动平台的搭建和柔性臂功能性验证，在功能验证实验中，其驱动控制方法分为运动学、动力学模型机械臂控制，如图4所示，以及基于学习的运动规划控制框图，如图5所示。前者是传统机器人多数控制领域的控制方法，其基本过程为建立机械臂的动力学模型，再通过运动学规划给机器人各个关节进行角度计算并输出控制量。后者主要是由近年来机器学习的发展，基于数据的规划控制方法所带动，通过数据迭代训练出机械臂运动规划的最优解并输出控制量。系统的功能验证实验满足空间操控环境的要求，为将来的医疗、航天航空等高精领域的柔性机器人研究和技术发展做出较大贡献。除此以外，本发明还为目前基于SMA的柔性臂驱动、规划和操控打下了坚实的基础，对于柔性操控臂在更广泛的日常生活以及民用航天起到了极大的参考作用和技术支持。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

面向轨道清理的空间仿生柔性操控臂驱动系统和方法专利购买费用说明