气动人工肌肉位置伺服系统研究及其应用

发布时间：2020-10-26 22:41

　　 气动人工肌肉作为一种新型气动执行元件已引起了国内外学者的广泛关注。本文以 气动人工肌肉为研究对象,通过理论分析和实验研究建立了气动人工肌肉较完整的静动 态数学模型,在对气动人工肌肉控制系统特性分析的基础上应用变结构控制方法和模糊 理论设计了气动人工肌肉的模糊变结构控制策略,并应用于自行设计的基于气动人工肌 肉的新型三自由度并联机器人平台上。 本文首先分析了导致气动人工肌肉理想静态数学模型与实际结果相差较大的原因。 在此基础上,抓住影响气动人工肌肉特性的主要因素,橡胶弹性力以及橡胶筒与纤维层 间摩擦力的影响,建立了相对简单而又较为完整的气动人工肌肉静态数学模型,并提出 了将气动人工肌肉视为带有弹性负载的变截面积气缸的观点。针对两种不同型号的气动 人工肌肉,通过实验和计算机数值仿真分析了气动人工肌肉静态力学特性,验证了静态 数学模型的正确性。 其次,提出将气动人工肌肉系统作为一种气压传动系统来研究,并根据所提出的将 气动人工肌肉视为变截面积气缸的观点,在气缸动态特性方程的基础上方便地推导出了 描述气动人工肌肉系统动态特性的非线性数学模型,并指出气动人工肌肉系统的工作过 程可以划分为等容充气、充气收缩、排气伸长和等容排气四个阶段。同样以两种型号的 气动人工肌肉为例,通过实验和仿真分析了气动人工肌肉开环控制系统的动态工作特 性,验证了动态数学模型的正确性。 然后,针对气动人工肌肉控制系统强非线性、难于建立精确数学模型的特点,在对 其特性分析的基础上,提出气动人工肌肉位置伺服系统的两层滑模模糊变结构控制策 略。理论和实验结果表明,常规变结构控制由于控制输入的剧烈颤振,容易引起系统响 应的超调和抖动,不能获得较好的动态特性,而模糊变结构控制改善了系统动态性能, 响应平滑,超调量小。两种型号的气动人工肌肉位置伺服系统的稳态位置控制精度分别 可达到±0.2mm 和±0.3mm,即使在负载质量和气源压力改变的情况下,虽然稳态误差 有所增加,但其稳态控制精度仍可达到±0.3mm 和±0.5mm,系统对于扰动和外部参数的 变化具有强的鲁棒性。对于气动人工肌肉位置控制系统来说,模糊变结构控制是可行的、 合理的。 最后,根据某水中运动模拟装置需要三个转动自由度的要求,考虑到气动人工肌肉 结构简单、无泄漏现象、适合在空气与驱动环境分离的工况下工作,应用气动人工肌肉 作为驱动装置,设计了一种新型基于气动人工肌肉的三自由度并联机器人平台。在对该 新型三自由度并联机器人平台运动学和动力学特性进行详细理论分析的基础上,采用模 - I - WP=5 糊变结构控制策略设计了新型三自由度并联机器人平台的模糊变结构控制器,并建立了 实验系统,开展了新型三自由度并联机器人平台的轨迹跟踪控制实验研究。实验结果表 明,采用气动人工肌肉作为驱动装置设计的三自由度并联机器人平台是可行的,模糊变 结构控制策略对于该系统是适合的。基于气动人工肌肉的新型三自由度并联机器人平台 的设计对气动人工肌肉更加广泛的应用具有指导意义。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2004
【中图分类】：TH138
【部分图文】：

图 1.1 气动人工肌肉模型发展概况十年代，美国医生 Joseph L.McKibben 发明我们通常所说的 McKibben 气动人工肌肉[2]。 Rubber 公司，英国 Shadow 公司，加拿大 E开发出成系列的气动人工肌肉工业产品，在人工肌肉是由内部橡胶筒及外部纤维编织网tuator）。气动人工肌肉充气后可以实现径向膨工肌肉有很大的初始拉力，当收缩运动时，的同时平稳地到达目的位置。作为一种新型与力/长度特性酷似生物肌肉，因此气动人工纪60年代就有将气囊式人工肌肉应用于两足

不会损害操作对象，因此在医疗肌肉设计残疾人假肢[13] [14]。美国华盛顿大从事气动人工肌肉方面的研究，他设计的拟正常人的步伐，带动假肢上的踝关节运，使他们走的更快更轻松。其外观结构如

动人工肌肉具有柔性，不会损害操作对象，因此在医疗机械方面也采用气动人工肌肉设计残疾人假肢[13] [14]。美国华盛顿大学生化机器授多年来一直从事气动人工肌肉方面的研究，他设计的一种由气动装置[4]，能模拟正常人的步伐，带动假肢上的踝关节运动，从而帮减少能量损耗，使他们走的更快更轻松。其外观结构如图 1.4 所示图 1.2 四手指柔性机械手
【引证文献】

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本文编号：2857618