(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210695786.8 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 鹏城实验室 地址 518055 广东省深圳市南 山区西丽 街 道留仙洞万科云城一期 8栋 申请人 北京理工大 学 (72)发明人 梅涛　柳胜凯　孟非　孔文超　 苏杭　徐文君　 (74)专利代理 机构 北京金咨知识产权代理有限 公司 11612 专利代理师 薛海波 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 13/00(2006.01) (54)发明名称 水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形 态控制方法及装置 (57)摘要 本发明提供一种水环境下软体臂在重力和 外部载荷下的形态控制方法及装置， 针对受重力 或其他外力条件下软体臂的形状进行数学建模 分析， 首先建立基于纤维束缚的软体臂的几何模 型， 然后通过最大化体积法、 虚功原理计算出软 体臂在不受力状态下的姿态或者曲率， 并将该曲 率作为求解欧拉伯努利梁二阶常微分方程的边 界条件， 进而分析在水环境中特定内腔压强驱动 时， 重力或外力作用下软体臂自身姿态， 进一步 通过打靶法计算指定姿态所需的内腔压强， 实现 在水环境中对纤维编织型 软体臂的精准控制。 权利要求书3页 说明书9页 附图5页 CN 115284278 A 2022.11.04 CN 115284278 A 1.一种水环境下 软体臂在重力和外 部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 包括： 获取纤维束缚下软体臂在水环境中的形态分析模型， 所述形态分析模型在预设纤维线 缠绕角度下建立伸长模型， 并采用预设材料属 性模型约束轴向伸缩比和径向伸缩比； 基于 最大化体积法和虚功理论根据所述软体臂的形状参数和内腔压强求解所述轴向伸缩比和 所述径向伸缩比， 并计算所述软体臂末端的曲率， 得到边界条件； 在设定受力状态下， 根据 所述边界条件利用欧拉伯努利梁方程计算所述软体臂的位姿； 获取指定应用场景下所述软体臂 的形态参数、 目标受力状态参数和目标位姿参数， 根 据所述形态分析模型利用打靶法计算所述软体臂在所述目标受力状态参数和目标位姿参 数下所需要输入的目标内腔 压强； 所述形态参数包括所述软体臂的初始长度、 横截面积； 所 述目标受力状态参数包括所述软体臂的受力点 位置、 受力方向和受力大小； 对所述软体臂输入所述目标内腔压强。 2.根据权利要求1所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 所述预设纤维线缠绕角度大于 54.73度， 所述伸长模型为： λ12(cos ψ )2+λ22(sin ψ )2＝1； 其中， λ1表示轴向伸缩比， λ2表示径向伸缩比， ψ表示预设纤维线缠绕角度。 3.根据权利要求2所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 所述预设材 料属性模型采用不可压缩的材 料属性模型， 表达式为： W＝C10(I‑3)； 其中， W表示应变能密度， C10与所述软体臂材料相关的常数参数， I为柯西 ‑格林应变张 量的第一个不变量， λ3表示周向剪切量。 4.根据权利要求3所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 基于最大化体积法和虚功理论根据所述软体臂的形状参数和内腔压强求解所述轴 向伸缩比和所述径向伸缩比， 并计算所述软体臂末端的曲率， 得到边界条件， 包括： 建立最大化体积基本模型， 表达式为： 其中， V表示所述软体臂体积， A表示横截面积， L*表示所述软体臂变形后的长度， r0表示 所述软体臂的初始内径， λ1表示轴向伸缩比， λ2表示径向伸缩比； 根据虚功理论建立虚 功理论模型， 表达式为： 其中， V表示所述软体臂体积， W表示应变能密度， P表示所述软体臂的内腔压强， λ1表示 轴向伸缩比， λ2表示径向伸缩比， 表示求偏导； 根据所述伸长模型和所述虚功 理论模型求解所述轴向伸缩比和所述径向伸缩比， 并计 算所述软体臂的末端曲率， 表达式为：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115284278 A 2其中， R表示所述软体臂末端的曲率半径， λ1表示轴向伸缩比， λ2表示径向伸缩比， rt表 示软体臂的壁厚， r 表示所述软体臂形变后的内径， r0表示所述软体臂的初始内径。 5.根据权利要求4所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 在设定受力状态下， 根据所述边界条件利用欧拉伯努利梁方程计算所述软体臂的 位姿， 其中， 在所述软体臂仅受重力作用下的静力学模型表达式为： 在所述软体臂末端受力条件下的静力学模型表达式为： G＝( ρg‑ρw)Vg； 其中， EI是所述软体臂的刚度参数， θ(s)表示距离所述软体臂末端长度s处切向与水平 方向的夹角， θ ′(s)表示θ(s)的一阶导， G表示所述软体臂在水环境下自身受力状态， ρw表示 水的密度， ρg表示所述软体臂的材 料密度， q表示单位长度上的负荷。 6.根据权利要求5所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 对所述软体臂输入所述目标内腔压强之后， 还 包括： 获取所述软体臂输入所述目标内腔压强之后的实际位姿参数， 对比所述实际位姿参数 与所述目标位姿参数， 当偏差高于设定值时发出告警提 示信息。 7.根据权利要求6所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 所述方法还 包括： 获取所述实际位姿参数和所述目标位姿参数， 并加入 控制日志。 8.根据权利要求7所述的水环境下软体臂在重力和外部载荷下的形态控制方法， 其特 征在于， 所述方法还 包括： 根据所述控制日志中记载的多条目标位姿参数及其对应的实际位姿参数， 计算控制误 差率； 当所述控制误差率高于设定值 时， 根据所述控制误差率对所述形态分析模型添加修正 量。 9.一种电子设备， 包括存储器、 处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算 机程序， 其特征在于， 所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至8任一项所述方法的 步骤。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115284278 A 3