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柔性致動(dòng)器

（映維網(wǎng)?2021年12月15日）由于柔性致動(dòng)器比剛性執(zhí)行器具有更好的接觸柔順性、更低的重量和阻力，所以柔性致動(dòng)器在機(jī)器人和可穿戴觸覺領(lǐng)域越來越流行。業(yè)界已經(jīng)探索了一系列為柔性致動(dòng)器提供動(dòng)力的不同能源，包括流體驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)。

由于其高能量密度和低阻力，柔性流體致動(dòng)器廣泛用于可穿戴設(shè)備，而相關(guān)文獻(xiàn)主要探討了恒定流體壓力控制（CFPC）來控制柔性致動(dòng)器。這種控制方法使用簡單的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)（每個(gè)致動(dòng)器一個(gè)離散閥）和二元（開-關(guān)）控制機(jī)制，允許致動(dòng)器壓力追蹤動(dòng)態(tài)負(fù)載下的流體源壓力。

然而，CFPC因此而具有幾個(gè)局限性：（1）有限的動(dòng)態(tài)范圍：柔性致動(dòng)器提供的力的動(dòng)態(tài)范圍有限，并且僅受其工作壓力控制，因?yàn)橹聞?dòng)器壓力只能在源壓力和大氣壓力之間切換；（2） 致動(dòng)器響應(yīng)緩慢：柔性執(zhí)行器的充氣和放氣響應(yīng)時(shí)間由源壓力決定，不能獨(dú)立調(diào)節(jié)。（3） 低壓控制分辨率：這種類型的控制只能實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器壓力的二進(jìn)制控制。（4） 非自然的觸覺交互：只可能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)或外源控制致動(dòng)器壓力，它與用戶和致動(dòng)器的交互方式?jīng)]有內(nèi)在聯(lián)系，從而導(dǎo)致非自然的觸覺交互。

為了解決所述限制，美國西北大學(xué)和Meta在名為《Constant Fluidic Mass Control for Soft Actuators Using Artificial Neural Network Algorithm》的論文中提出了一種恒定流體質(zhì)量控制（CFMC），其中恒定質(zhì)量的流體困在致動(dòng)器內(nèi)。當(dāng)用戶與致動(dòng)器交互時(shí)，由于這種交互導(dǎo)致的致動(dòng)器壓力任何變化可進(jìn)一步幫助改善觸覺交互。與使用壓力傳感器和第一原理模型估算流體質(zhì)量的文獻(xiàn)不同，團(tuán)隊(duì)是通過精確控制閥門的定時(shí)，并將其困在致動(dòng)器內(nèi)來調(diào)節(jié)流體質(zhì)量。

使用CFMC的模擬壓力控制需要整個(gè)射流系統(tǒng)（包括致動(dòng)器）的可靠模型。有其他研究人員開發(fā)了基于第一性原理的理論模型來預(yù)測致動(dòng)器行為，但所述模型只能在有限的輸入集合中近似致動(dòng)器的行為，不能可靠地捕捉流體系統(tǒng)中的所有非線性，因此很難對不同的柔性致動(dòng)器進(jìn)行泛化。在研究中，美國西北大學(xué)和Meta為可穿戴觸覺提出了一種新的流體驅(qū)動(dòng)方案CFMC。

據(jù)介紹，這種方法允許更大的動(dòng)態(tài)范圍、更快的響應(yīng)時(shí)間和柔性致動(dòng)器的模擬壓力控制，并產(chǎn)生更自然的觸覺交互。研究人員實(shí)現(xiàn)了一個(gè)射流系統(tǒng)來演示CFMC方法，并使用系統(tǒng)對柔性致動(dòng)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。另外，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，使模擬壓力控制的柔性致動(dòng)器使用CFMC，并泛化到新的致動(dòng)器。

實(shí)驗(yàn)將CFMC與CFPC方法進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，CFMC可以增加柔性致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)范圍，縮短其響應(yīng)時(shí)間以達(dá)到所需的壓力，并實(shí)現(xiàn)模擬壓力控制，從而提供更自然的觸覺反饋。

圖1顯示了CFPC和CFMC的射流實(shí)現(xiàn)。這兩種實(shí)施方式之間的根本區(qū)別在于，在CFPC中，致動(dòng)器壓力只能存在于源或大氣壓力（ATM）狀態(tài)，而在CFMC中，致動(dòng)器可以與源和大氣斷開，因此保持與源和大氣不同的狀態(tài)。

CFPC使用一個(gè)三通閥，使致動(dòng)器通過調(diào)節(jié)閥連接到壓縮空氣源。另一方面，CFMC采用兩個(gè)三通閥：一個(gè)供氣閥控制壓縮空氣的進(jìn)氣，另一個(gè)排氣閥控制通向ATM的排氣。CFMC然后根據(jù)流體源壓力和初始致動(dòng)器壓力，通過改變兩個(gè)閥門的開/關(guān)時(shí)間來調(diào)節(jié)致動(dòng)器內(nèi)的流體質(zhì)量。CFMC同時(shí)可以使用兩個(gè)雙向閥實(shí)現(xiàn)。對于選擇三通閥實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)樗鲩y門的可用性。

圖2顯示了CFMC的原理圖。柔性氣囊的初始壓力和體積分別表示為P0和V0。當(dāng)手指與柔性氣囊相互作用時(shí)，柔性氣囊的壓力和容積分別變?yōu)镻1和V1。假設(shè)系統(tǒng)在等溫條件下遵循理想氣體定律，這對于封閉系統(tǒng)意味著：

P0 × V0 = P1 × V1
P0 × V0 = (P0 + ?P) × (V1 + ?V )

假設(shè)g ?P × ?V ≈ 0，則等式2可以簡化為：

?P = ??V × P0/V0

在CFPC中，當(dāng)手指與柔性氣囊互動(dòng)時(shí)，柔性氣囊體積減小至V1。由于這種相互作用（等式3），壓力開始增加，致動(dòng)器的流體路徑對恒壓流體源保持開放，從而使致動(dòng)器壓力在源壓力下保持恒定（P0）。在CFMC中，當(dāng)手指與柔性氣囊相互作用時(shí)，柔性氣囊體積減小，從而導(dǎo)致氣壓升高（等式3）。然而，由于空氣被困在致動(dòng)器內(nèi)，并且從致動(dòng)器到調(diào)節(jié)器的流體路徑被阻斷，因此壓力的增加與體積的減少成正比，與初始致動(dòng)器體積成反比。

當(dāng)忽略CFPC和CFMC之間的接觸面積差異時(shí)，CFPC和CFMC之間的作用力差異將取決于相應(yīng)致動(dòng)器壓力的差異。因此，使用CFMC可實(shí)現(xiàn)的力的動(dòng)態(tài)范圍比CFPC大。

CFMC的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它允許源壓力高于致動(dòng)器的工作壓力，從而能夠縮短致動(dòng)器的充氣時(shí)間。另一方面，在CFPC中，源壓力由致動(dòng)器的工作壓力決定。另外，與CFPC不同的是，CFPC只允許對致動(dòng)器壓力進(jìn)行二進(jìn)制控制，而CFMC允許對柔性致動(dòng)器進(jìn)行更精確的模擬壓力控制。

然而，由于柔性致動(dòng)器的電容通常為非線性，并且流體系統(tǒng)中存在許多其他非線性，所以很難用第一原理模型以廣義方式捕捉，因此研究人員使用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督學(xué)習(xí)算法來實(shí)現(xiàn)使用CFMC的模擬壓力控制。

例如，具有可壓縮流體的氣動(dòng)電容器的壓差和流量之間的二次關(guān)系，致動(dòng)器材料非線性力位移行為對流體電容的貢獻(xiàn)，流體管道的分布電阻和電容以及高壓差下的流量阻塞是氣動(dòng)系統(tǒng)中存在的一定非線性現(xiàn)象。

為了比較CFMC和CFPC，研究人員使用相同的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)1比較了CFMC和CFPC之間致動(dòng)器壓力的動(dòng)態(tài)范圍，以及相互作用期間致動(dòng)器產(chǎn)生的反作用力。實(shí)驗(yàn)2研究了基于CFMC學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的柔性致動(dòng)器的充氣/放氣響應(yīng)時(shí)間和模擬壓力控制。

團(tuán)隊(duì)在所述實(shí)驗(yàn)中使用了兩個(gè)具有不同電容的定制軟流體致動(dòng)器（圖6），這代表了我們在大多數(shù)觸覺應(yīng)用中會(huì)看到的各種電容。致動(dòng)器由熱密封尼龍背襯TPU織物制成原型，并用于開發(fā)充氣氣囊。實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2使用了具有小電容的柔性致動(dòng)器（圖6a），并且使用了較大電容的柔性致動(dòng)器（圖6b）來檢驗(yàn)所提出的控制方法的通用性。

這項(xiàng)研究證明了CFMC之于CFPC的多種優(yōu)勢，但所述優(yōu)勢是以額外的控制基礎(chǔ)設(shè)施為代價(jià)。為了精確控制執(zhí)行器空氣壓力控制，團(tuán)隊(duì)需要額外的設(shè)備，例如配備附加的閥門和壓力傳感器，并且需要更復(fù)雜的控制策略。另外，由于CFMC能夠?qū)崿F(xiàn)更大的動(dòng)態(tài)范圍，因此需要設(shè)計(jì)柔性致動(dòng)器以處理更大的壓力范圍。

總的來說，研究人員提出了一種新的柔性流體致動(dòng)器控制方法CFMC，它使用兩個(gè)閥門的布置來保持致動(dòng)器內(nèi)恒定的流體質(zhì)量，而且它在可穿戴觸覺中具有潛在優(yōu)勢。研究分析表明，與CFPC相比，CFMC使致動(dòng)器輸出力的動(dòng)態(tài)范圍更大，對充氣和放氣的響應(yīng)時(shí)間更快。

另外，團(tuán)隊(duì)演示了一種基于CFMC的模擬壓力控制的實(shí)現(xiàn)方法，使用了一種基于學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，從而允許精確調(diào)節(jié)執(zhí)行器壓力。實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明，所述方法可以泛化到不同的TPU織物流體驅(qū)動(dòng)器。

相關(guān)論文：Constant Fluidic Mass Control for Soft Actuators Using Artificial Neural Network Algorithm

團(tuán)隊(duì)最后補(bǔ)充道，柔性致動(dòng)器的外部交互力是可穿戴觸覺應(yīng)用中的常見情況，作用在致動(dòng)器上的不同力會(huì)影響其等效電容，從而降低學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精度。在未來，研究人員計(jì)劃通過引入預(yù)載作為第四個(gè)輸入變量來擴(kuò)展所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并探索遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，以在控制系統(tǒng)中包含具有時(shí)間動(dòng)態(tài)行為的輸入變量。另外，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃探索基于CFMC的可穿戴觸覺設(shè)備模擬壓力控制，并計(jì)劃檢查CFMC在創(chuàng)建剛度觸覺方面的影響，以及閉環(huán)控制的性能。

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