一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法

本发明涉及软体机器人中智能材料驱动器动力学建模的，尤其涉及一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法。

背景技术：

1、液晶弹性体是一种软体智能材料，具有良好的驱动性能，可以用于制作液晶弹性体驱动器以驱动软体机器人。在电信号、磁信号、甚至光信号的作用下，液晶弹性体的温度发生变化，使液晶弹性体内部的微观结构在有序向列相和各向同性相之间变化，宏观上表现为液晶弹性体驱动器的形变。这种独特的变形机理赋予了液晶弹性体驱动器良好的驱动性能及无绳驱动能力，在软体机器人、生物模拟系统、远程控制系统、太阳能电池工厂等领域有着潜在的应用前景。

2、为了在实际场景中进行控制和应用，建立液晶弹性体驱动器的动力学模型描述其动态行为，进而评估其驱动性能是非常重要的。然而，液晶弹性体驱动器的变形涉及复杂的物理过程，并表现出与驱动器动力学(负载、输入频率等)相耦合的高度非线性迟滞特性。这导致对液晶弹性体驱动器复杂输入输出非线性行为的动力学建模非常困难。此外，在过去的建模工作中，仅仅针对液晶弹性体驱动器相变过程的建模。而完整的建模和控制，需要考虑液晶弹性体驱动器加热与相变的整个过程。

技术实现思路

1、有鉴于此，为了进一步实现液晶弹性体驱动器的运动控制及其实际应用，本发明提出一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，包括以下步骤：

2、s1、基于热力学原理，建立液晶弹性体驱动器的动态加热模型，根据输入的电功率计算出激光照射下液晶弹性体的温度；

3、s2、利用唯象建模方法，基于单侧prandtl-ishlinskii模型、死区模型和饱和模型构建液晶弹性体驱动器的形变模型描述其形变随温度的变化；

4、s3、将步骤s1中动态加热模型与步骤s2中的形变模型相结合，建立液晶弹性体驱动器的物理-唯象混合模型和预测算法，预测液晶弹性体驱动器的动态行为。

5、进一步地，所述算法的输入是电功率，热源是从激光发生器射出到液晶弹性体驱动器上的激光，输出是液晶弹性体驱动器末端点的位移。

6、进一步地，步骤s1中，动态加热模型如下：

7、

8、式中，p为输入的电功率，η为吸收系数，t为液晶弹性体的热力学温度，t0为室温，α和nc为材料系数。

9、进一步地，步骤s2具体为：

10、s21、单侧prandtl-ishlinskii模型的单侧play算子fr[u](t)的计算公式如下：

11、fr[u](t)＝max{u-r,min{u,w(ti-1)}}

12、式中，r≥0为阈值，t为液晶弹性体的热力学温度，t0为室温，u＝t-t0，max(·)和min(·)分别为最大和最小函数，w(t)为单侧play算子的输出；

13、s22、单侧prandtl-ishlinskii模型如下：

14、

15、式中，n1为单侧play算子数量，pi为第i个单侧play算子的权值；

16、s23、死区算子zd[y1](t)的计算公式如下：

17、

18、式中，d为死区算子xd[y1](t)的阈值；

19、s24、死区模型如下：

20、

21、式中，n2为死区算子数量，ψj为第j个死区算子的权值；

22、s25、饱和算子sd′[y2](t)的计算公式如下：

23、

24、式中，d′为饱和算子sd′[y2](t)的阈值；

25、s26、液晶弹性体驱动器形变模型的计算公式如下：

26、

27、式中，n3为饱和算子数量，ρk为第k个饱和算子的权值。

28、进一步地，步骤s3中，先根据步骤s1中的动态加热模型计算出液晶弹性体的温度，再将该温度与室温做差作为步骤s3中形变模型的输入，计算出液晶弹性体驱动器的形变量，对其动态行为进行准确预测。

29、本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

30、与现有的技术比较，本发明提出了一种通用的液晶弹性体驱动器动力学建模方法以表征其变形随输入电功率变化的动态行为；提出了一种基于物理-唯象混合方法的液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，算法中基于物理的动态温度模型部分使整个算法能够很好地反映液晶弹性体驱动器加热过程的物理本质，算法中基于唯象的形变模型部分能够准确地描述系统的迟滞特性，降低建模复杂度和计算复杂度。

技术特征：

1.一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，其特征在于，所述算法的输入是电功率，热源是从激光发生器射出到液晶弹性体驱动器上的激光，输出是液晶弹性体驱动器末端点的位移。

3.根据权利要求1所述的一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，其特征在于，步骤s1中，动态加热模型如下：

4.根据权利要求1所述的一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，其特征在于，步骤s2具体为：

5.根据权利要求1所述的一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，其特征在于，步骤s3中，先根据步骤s1中的动态加热模型计算出液晶弹性体的温度，再将该温度与室温做差作为步骤s3中形变模型的输入，计算出液晶弹性体驱动器的形变量，对其动态行为进行准确预测。

技术总结
本发明公开了一种液晶弹性体驱动器动态行为预测算法，包括以下步骤：(1)基于热力学原理，建立液晶弹性体驱动器的动态加热模型，根据输入的电功率计算出激光照射下液晶弹性体的温度；(2)利用唯象建模方法，基于单侧Prandtl‑Ishlinskii模型、死区模型和饱和模型构建液晶弹性体驱动器的形变模型描述其形变随温度的变化；(3)将步骤S1中动态加热模型与步骤S2中的形变模型相结合，建立液晶弹性体驱动器的物理‑唯象混合模型和预测算法，预测液晶弹性体驱动器的动态行为。本发明能解决液晶弹性体驱动器复杂的动力学建模与动态行为预测问题，为控制器设计奠定基础，有利于推动其在软体机器人等领域的实际应用。

技术研发人员：吴俊东,黄鹏,王亚午
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14