本发明涉及机器人控制领域，尤其指一种基于液态金属的可变刚度柔性机器人及其控制方法。
背景技术：
1、随着工业4.0的推进，各行各业正逐渐实现产业升级，人工智能也逐渐渗透进各个行业，机器人也在制造业，民用，医疗等领域有了更广泛的参与。而机器人想要走进千家万户，其稳定性，安全性，柔顺性成了其必须具备的技能。为了可以使机器人具有更高的安全性以及柔顺性，柔性机器人成了新兴的被广泛研究的机器人分支。相较于传统的刚性机器人，柔性机器人由柔性材料构成，其天然具有柔顺性，这种特性也体现在了安全性之上。但是柔性机器人，无法像刚性机器人一样能够快速精确的执行，这不仅是由于柔性材料在高速运动下会产生振动等非线性行为，同时也是由于柔性机器人不具有刚性机器人相同的标准化控制方法。同样，柔性机器人的负载能力也成为其无法广泛应用的原因。现如今，车辆成了大多数家庭必备的出行工具。更多的车辆也大大加重了加油站的工作量，为了能够提高效率，减轻工人的工作压力，机器人成为了首选。而加油这一动作，简单而程序化，不需要工作生产中的高精度，同时若采用刚性机器人，不光成本高，也容易在加油站中负载的“车-人”共存环境中造成安全隐患。
2、公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人，通过视觉辅助，实现自动识别，定位，工作等一系列操作。
2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
3、一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人，包括可变刚度柔性机械臂以及设置在机械臂一端的刚柔连接器；
4、机械臂包括由内向外依次设置的中心管体、可变刚度层，柔性外壳和致动线，中心管体包括中空油道以及设置在中空油道内部的电磁位置追踪器，电磁位置追踪器的表面涂敷聚四氟乙烯作为防腐蚀镀层，可变刚度层包括柔性加热丝和变刚度材料层，变刚度材料层螺旋缠绕柔性电热丝并附着于柔性外壳内部表面，致动线设置有多个，多个致动线间隔均匀分布在柔性外壳外部；本发明中机械臂的设计旨在提供灵活性和刚度的可变性。柔性机械臂通过内部的可变刚度层在必要时可以改变其刚度，达到柔性和刚性之间的平衡，使机械臂既能灵活运动又能在工作时稳定定位。
5、优选的，致动线设置有4组，4组致动线以90°间隔均匀分布，致动线的轴线与柔性外壳的轴线平行；加油机器人的驱动由4组附着于柔性外壳表面的致动线实现。
6、刚柔连接器远离机械臂的一侧设置有油枪注油口，刚柔连接器的侧面垂直方向上设置有双目电机，电磁位置追踪器贯穿中空油道至油枪注油口的底部。刚柔连接器能够在机械臂保持柔性状态时提供必要的结构支撑，并通过双目电机实现精确定位和操作。电磁位置追踪器帮助系统实时跟踪油枪的末端位置，确保加油操作的精确性。
7、进一步的，电磁位置追踪器由传感头以及线缆组成，传感头和线缆的表面喷涂有防腐蚀镀层，电磁位置追踪器自柔性外壳腔体内插入，传感头安装于油枪注油口的底部末端，用于获取可变刚度柔性加油机器人末端位置相对于可变刚度柔性加油机器人原点的相对空间位置。
8、进一步的，变刚度材料层所采用的低熔点金属为镓基合金，熔点控制于60～70℃；柔性电热丝采用铁铬铝合金，厚度为0.1～0.5mm，宽度为0.5～2mm，以聚酰亚胺包覆表面；通过加热控制镓基合金的状态转换。柔性外壳由邵氏硬度10～60范围的软性材料制成，可变刚度由柔性外壳内部变刚度材料层内的低熔点金属层以及螺旋状柔性电热丝实现。柔性外壳允许机械臂在复杂环境中灵活运动，不易损坏。致动线的使用提高了控制的精度和力的传递效率。
9、本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，基于有限元方法控制，实现加油口自动识别及定位。
10、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
11、一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，包括如下操作步骤：
12、s1：建立关于可变刚度柔性加油机器人运动的控制算法；控制算法主要负责对加油机器人的运动状态进行调整和控制，以确保其能够按照预定的轨迹和速度到达目标位置，并在加油过程中保持稳定；该算法使用有限元方法(fem)进行简化建模，并通过神经网络学习来建立控制矩阵，以预测和调节加油机器人末端的空间位置。pid控制器用于精确跟踪预定轨迹，调整每个离散点的控制量，确保加油机器人按计划路径运动；
13、s2：在可变刚度柔性加油机器人运动的初始，由柔性电热丝加热镓基合金(变刚度材料层)使其从固态变为液态；这种状态下，机械臂可以在狭小或复杂的空间中灵活调整姿态，避开障碍物，并灵活接近目标位置；
14、s3：通过电磁位置追踪器(安装在中心管体内)和双目电机(安装在刚柔连接器侧面)，加油机器人可以实时获取自身末端位置相对于原点的空间位置。结合视觉识别算法，加油机器人能够精确判断并到达目标加油口位置；在可变刚度柔性加油机器人运动至目标位置后，停止柔性电热丝加热，使变刚度材料层内的低熔点金属固化，稳定整体柔性机械臂的位置；
15、s4：在变刚度材料层固化后，加油机器人通过油枪注油口进行加油操作；此时，机械臂的刚度足以支撑加油机器人在加油过程中的各种受力情况；刚柔连接器也为加油枪提供必要的支撑，确保在加油时不会发生意外晃动或错位；
16、s5：确定完成注油工作后，柔性电热丝重启加热，使得可变刚度柔性加油机器人恢复为柔性状态，随后可变刚度柔性加油机器人收回；灵活收回状态下的机械臂便于重新部署到下一个任务，提高了设备的利用效率和作业连续性。
17、进一步的，步骤s1中，控制算法包括：
18、s11：将可变刚度柔性加油机器人进行简化建模，并通过有限元(fem)方法得到不同的控制量对应的可变刚度柔性加油机器人末端位置；
19、s12：建立可变刚度柔性加油机器人末端位置的工作空间；具体的，工作空间是指机械臂末端在不同控制条件下可以到达的所有位置范围。通过定义工作空间的边界，可以确保机械臂的运动始终在其操作能力范围内，从而避免不必要的碰撞或失控；
20、s13：利用机器学习建立工作空间离散位置对应控制量的控制矩阵的神经网络；具体的，通过机器学习，建立工作空间内离散位置对应的控制量控制矩阵。神经网络接收机械臂末端位置和相应的控制量作为输入，通过多层神经元的学习，预测出每个离散位置所需的控制参数，从而为每个位置提供精确的控制量；
21、s14：利用视觉识别确定目标点的位置，并规划出离散的运动轨迹；具体的，利用视觉识别技术确定目标点的位置，视觉系统通过双目相机获取目标场景图像，结合图像处理算法精确定位目标点的三维坐标。接着，根据s12步骤中建立的工作空间，规划出机械臂从当前点到目标点的离散运动轨迹；s15：利用pid追踪每一个离散轨迹点，其每一个离散轨迹点的运动的控制矩阵由上述神经网络获得。具体利用pid控制器追踪每一个离散轨迹点。pid控制器根据机械臂当前位置与目标轨迹点的位置误差进行调整。每个轨迹点的运动控制矩阵由s13步骤中的神经网络提供。通过实时调整控制量，pid控制器能够快速修正机械臂的运动轨迹，确保其精确地跟随预定路径。
22、进一步的，步骤s11中，柔性机械臂的有限元简化模型包括柔性外壳、油枪注油口和刚柔连接器。进一步的，步骤s13中，用以约束可变刚度柔性加油机器人末端位移控制的控制矩阵为(pm-1h(p*)t)-1，其中p表示从所有有限元节点找到末端位置处节点的矩阵，m为稀疏质量阵，h为有限元模型边界条件的约束阵，p*表示平衡点位置，t代表矩阵转置，此处为上述离散轨迹点的目标点空间坐标矩阵。
23、进一步的，步骤s14中，所设计的位移控制器为其中δu为每一个驱动线在每一个采样步的实际控制量增量矩阵。为pid所计算的控制量，其形式为：其中epe和分别代表当前位置距离目标位置的误差量以及误差的微分，kp,ki,kd分别为比例，微分，积分系数。
24、进一步的，步骤s15中，用以得到工作空间离散位置对应控制量的控制矩阵的全连接神经网络基本结构，包含了输入层x、隐层y和输出层z，输入层与隐层之间通过权重矩阵w1以及偏置矩阵bj进行传播，而隐层和输出层之间通过权重矩阵w2以及偏置矩阵bk，作为优选隐层数量80～100层。
25、进一步的，步骤s2中，可变刚度柔性加油机器人运动至目标位置的判定由双目相机及视觉识别算法组成。利用双目相机采集目标区域的图像信息，并通过图像处理算法提取出加油口的特征点，结合预先建立的三维模型或地图信息，视觉识别算法可以计算出加油机器人末端相对于目标加油口的精确位置和姿态。
26、本发明的有益效果为：
27、相比于单一的柔性机械臂，本发明中可变刚度柔性机械臂在接近目标位置时以全柔性状态工作，有着柔性机械臂的环境适应能力以及不易伤人的特点，到达工作位置后，切换为刚性模式使得机械臂拥有刚性机械臂的稳定性以及可靠性。使用基于快速有限元的建模方法，能够高效的根据不同的机械臂模型快速设计可靠的控制器。利用神经网络控制器作为前馈控制器，使得机械臂能够快速移动至目标位置附近并通过多输入多输出pid控制微调，使机械臂拥有更快的接近速度以及更高的工作效率。
1.一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人，其特征在于，包括可变刚度柔性机械臂以及设置在所述机械臂一端的刚柔连接器；
2.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人，其特征在于，所述电磁位置追踪器由传感头以及线缆组成，所述传感头和所述线缆的表面喷涂有防腐蚀镀层，所述传感头安装于油枪注油口的底部末端，用于获取所述可变刚度柔性加油机器人末端位置相对于可变刚度柔性加油机器人原点的相对空间位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人，其特征在于，所述变刚度材料层所采用的低熔点金属为镓基合金，熔点控制于60～70℃；所述柔性电热丝采用铁铬铝合金，厚度为0.1～0.5mm，宽度为0.5～2mm，以聚酰亚胺包覆表面；所述柔性外壳由邵氏硬度10～60范围的软性材料制成，所述致动线采用多股尼龙丝线绞合而成，单根金属丝线直径0.1～0.5mm，绞合股数3～8股。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
5.根据权利要求4所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s1中，所述控制算法包括：
6.根据权利要求5所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s11中，柔性机械臂的有限元简化模型包括柔性外壳、油枪注油口和刚柔连接器。
7.根据权利要求5所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s13中，用以约束可变刚度柔性加油机器人末端位移控制的控制矩阵为(pm-1h(p*)t)-1，其中p表示从所有有限元节点找到末端位置处节点的矩阵，m为稀疏质量阵，h为有限元模型边界条件的约束阵，p*表示平衡点位置，t代表矩阵转置，此处为上述离散轨迹点的目标点空间坐标矩阵。
8.根据权利要求5所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s14中，所设计的位移控制器为其中δu为每一个驱动线在每一个采样步的实际控制量增量矩阵；为pid所计算的控制量，其形式为：其中epe和分别代表当前位置距离目标位置的误差量以及误差的微分，kp,ki,kd分别为比例，微分，积分系数。
9.根据权利要求5所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s15中，所述用以得到工作空间离散位置对应控制量的控制矩阵的全连接神经网络基本结构，包含了输入层x、隐层y和输出层z，输入层与隐层之间通过权重矩阵w1以及偏置矩阵bj进行传播，而隐层和输出层之间通过权重矩阵w2以及偏置矩阵bk，隐层数量80～100层。
10.根据权利要求4所述的一种基于液态金属的可变刚度柔性加油机器人的控制方法，其特征在于，步骤s2中，可变刚度柔性加油机器人运动至目标位置的判定由所述双目相机及视觉识别算法组成。
