气动人工肌肉驱动的柔性冗余并联机构的实验研究

发布时间：2017-10-06 22:32

  本文关键词：气动人工肌肉驱动的柔性冗余并联机构的实验研究

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【摘要】：气动人工肌肉作为一种模拟生物体肌肉设计的新型驱动元件,具有类似于生物体肌肉的柔顺性,将其应用于冗余六自由度并联机构是对气动人工肌肉应用的一种新尝试。本文以气动人工肌肉驱动的冗余六自由度并联机构为研究对象,以目前文献中关于气动人工肌肉和冗余六自由度并联机构的研究为基础,设计了一个气动人工肌肉驱动的冗余并联机构实验台,用以验证冗余驱动并联机构可以通过其内力的调整改变自身的刚度。本文首先通过对冗余并联机构的运动学和单刚体动力学分析,考虑气动人工肌肉的具体结构等因素,设计并搭建了一个8根气动人工肌肉驱动的中心带有弹簧支撑的冗余六自由度并联机构。为测量其位姿,本文创新性地设计了一个六自由度位姿传感器。为测试气动人工肌肉的特性和了解其构成系统的控制性能,设计和搭建了一个单根气动人工肌肉实验台。其次,根据气动人工肌肉的具体模型,建立了考虑气动人工肌肉橡胶筒壁厚的理想静态数学模型,考虑了气动人工肌肉橡胶筒弹性和其自身的内摩擦力,得出了能较好反映气动人工肌肉实际静态特性的数学模型。从气体热力学和动力学角度出发,建立了气动人工肌肉动态数学模型,控制阀的流量方程以及负载模型的动力学方程,得到了气动人工肌肉控制系统的非线性状态方程。使用PID进行了气动人工肌肉位置控制系统的实验研究,取得了稳态误差小于0.1mm的控制效果。最后,本文研究了气动人工肌肉驱动的冗余并联机构位姿闭环系统,测试了系统各个自由度上的响应能力。通过进行扫频实验,测量了运动平台在不同内力时,系统在各个自由度上的谐振频率。根据谐振频率与系统刚度的对应关系,验证了通过改变冗余并联机构的内力改变系统刚度的理论。得出了本课题使用的冗余并联机构在各个自由度上刚度变化的走势和幅度。
【关键词】：冗余并联机构 气动人工肌肉 变刚度
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH138;TH112
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题来源及项目背景意义9-10
• 1.2 冗余并联机构的研究现状10-12
• 1.2.1 六自由度并联机构概述10-11
• 1.2.2 冗余驱动六自由度并联机构11-12
• 1.3 气动人工肌肉有关研究现状12-16
• 1.3.1 气动人工肌肉简介12-13
• 1.3.2 气动人工肌肉数学模型研究进展13-14
• 1.3.3 气动人工肌肉机器人的研究现状14-15
• 1.3.4 气动人工肌肉控制策略的研究现状15-16
• 1.4 国内外研究现状简析16-17
• 1.5 研究内容总括17-18
• 第2章 冗余并联机构研究的实验台设计18-34
• 2.1 引言18
• 2.2 实验台设计方案18-22
• 2.2.1 实验功能要求18-19
• 2.2.2 冗余并联机构实验台的结构方案19-20
• 2.2.3 单根气动人工肌肉实验台结构方案20
• 2.2.4 实验台气压原理图20-21
• 2.2.5 实验台数据采集系统21-22
• 2.3 冗余并联机构的运动学和动力学分析22-28
• 2.3.1 运动学分析22-26
• 2.3.2 冗余并联机构的单刚体动力学分析26-28
• 2.4 实验台的具体结构设计28-33
• 2.4.1 冗余并联机构结构参数的确定28-30
• 2.4.2 冗余并联机构实验台的具体结构30-32
• 2.4.3 单根气动人工肌肉实验台的具体结构32
• 2.4.4 主要元器件的性能参数32-33
• 2.5 本章小结33-34
• 第3章 气动人工肌肉的特性研究34-60
• 3.1 引言34
• 3.2 气动人工肌肉的静态特性研究34-43
• 3.2.1 气动人工肌肉结构和工作原理34-36
• 3.2.2 气动人工肌肉的静态数学模型36-40
• 3.2.3 气动人工肌肉静态特性实验及仿真40-43
• 3.3 气动人工肌肉位置控制系统的实验研究43-59
• 3.3.1 气动人工肌肉控制系统动态数学模型43-48
• 3.3.2 PID控制概述48
• 3.3.3 气动人工肌肉控制系统组成及实验系统介绍48-49
• 3.3.4 气动人工肌肉位置控制系统的开环实验研究49-54
• 3.3.5 气动人工肌肉位置控制系统的闭环实验研究54-59
• 3.4 本章小结59-60
• 第4章 冗余并联机构的实验研究60-72
• 4.1 引言60
• 4.2 实验系统介绍60-62
• 4.2.1 实验系统工作原理60-61
• 4.2.2 实验系统组成61-62
• 4.3 位姿闭环实验研究62-66
• 4.3.1 实验内容62
• 4.3.2 实验方法62
• 4.3.3 实验结果及分析62-66
• 4.4 气动人工肌肉驱动的冗余并联机构的刚度分析实验66-71
• 4.4.1 实验原理66-67
• 4.4.2 实验方法与内容67-68
• 4.4.3 实验结果和分析68-71
• 4.5 本章小结71-72
• 结论72-74
• 参考文献74-79
• 致谢79

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 吴宇列,吴学忠,李圣怡;冗余并联机构的分类研究[J];机械科学与技术;2002年01期

2 刘延斌;李志松;底复煈;;基于气动人工肌肉变刚度并联减振系统模型及特性研究[J];液压与气动;2013年11期

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本文编号：985411