基于气动肌肉的柔性机械臂建模与控制研究

发布时间：2021-05-11 18:48

　　传统的刚性机械臂具有机构自重大、安全性差等缺点,难以实现轻量化、柔性化。研究人员提出了具有质量轻、环境适应性好、驱动简单、体积小等优点的柔性机械臂,已经成为机械臂技术的研究热点。但柔性机械臂存在刚度低、控制精度低和控制困难等缺点。于是提高柔性机械臂的刚度和控制精度,以及研究柔性机械臂的控制方法成为当前柔性机械臂技术的研究重点。本文针对柔性机械臂存在的问题,基于柔性驱动和散粒体阻塞机理设计出刚度可调的柔性机械臂;通过理论分析和实验研究对柔性机械臂的刚度调节特性进行研究;分析了柔性机械臂系统的工作原理,建立了柔性机械臂气动系统的数学模型;利用PID反馈控制器建立了柔性机械臂的控制模型,并借助Simulink工具进行数值仿真分析,利用实验平台进行实验验证。本文的主要工作内容和结论如下:1.通过静力学理论分析和实验验证,对柔性机械臂的主要构件变刚度杆进行研究。利用POM颗粒作为散粒体、硅胶材料作为外膜制作基于阻塞机理的变刚度杆,分析了散粒体阻塞过程;通过静力学分析得出真空度、外膜种类等因素与变刚度杆刚度关系的静力学方程;通过变刚度杆静力学实验,验证了变刚度杆静力学方程的准确性。得出通过改变真空... 

【文章来源】：河南工业大学河南省

【文章页数】：89 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
abstract
1 绪论
    1.1 课题来源
    1.2 研究背景及意义
    1.3 国内外研究现状综述
        1.3.1 柔性驱动器综述
        1.3.2 变刚度机构综述
        1.3.3 散粒体阻塞理论
        1.3.4 柔性机械臂综述
    1.4 研究内容与章节安排
        1.4.1 研究内容
        1.4.2 章节安排
    1.5 本章小结
2 基于散粒体阻塞机理的变刚度杆静力学分析
    2.1 引言
    2.2 散粒体阻塞过程分析
    2.3 变刚度杆静力学理论分析
        2.3.1 变刚度杆压缩刚度模型
        2.3.2 变刚度杆弯曲刚度模型
        2.3.3 变刚度杆剪切刚度模型
    2.4 不同真空度下变刚度杆静力学实验
        2.4.1 变刚度杆压缩刚度实验
        2.4.2 变刚度杆弯曲刚度实验
        2.4.3 变刚度杆剪切刚度实验
        2.4.4 实验数据分析
    2.5 本章小结
3 基于气动肌肉的柔性机械臂系统设计
    3.1 引言
    3.2 气动肌肉介绍
        3.2.1 气动肌肉发展及应用
        3.2.2 Festo气动人工肌肉性能介绍
    3.3 基于气动肌肉的柔性机械臂机构设计
        3.3.1 新型变刚度驱动杆机构设计
        3.3.2 柔性机械臂机构设计及工作原理
    3.4 气动系统原理及设计
        3.4.1 气动系统的工作原理
        3.4.2 气动系统元器件选型
    3.5 柔性机械臂控制系统设计
        3.5.1 控制系统组成及原理
        3.5.2 控制系统主要元器件选型
        3.5.3 柔性机械臂硬件平台
    3.6 本章小结
4 柔性机械臂系统数学建模
    4.1 引言
    4.2 气动系统数学模型分析
        4.2.1 气动肌肉静态模型
        4.2.2 气动肌肉动态特性
        4.2.3 电磁开关阀
        4.2.4 PWM占空比信号
    4.3 柔性机械臂运动学分析
        4.3.1 正运动学分析
        4.3.2 逆运动学分析
    4.4 本章小结
5 柔性机械臂控制仿真与实验
    5.1 引言
    5.2 柔性机械臂PID控制策略
    5.3 柔性机械臂仿真分析
        5.3.1 气动肌肉气压控制仿真分析
        5.3.2 柔性机械臂轨迹跟踪控制仿真
    5.4 实验平台验证与结果分析
        5.4.1 气动肌肉气压控制实验
        5.4.2 柔性机械臂控制实验
    5.5 本章小结
结论与展望
    结论
    展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]双连杆柔性机械臂振动主动控制与实验[J]. 邱志成,李城.  振动.测试与诊断. 2019(03)
[2]软体机器人手眼视觉/形状混合控制[J]. 王昱欣,王贺升,陈卫东.  机器人. 2018(05)
[3]考虑关节柔性的机器人动力学分析与仿真[J]. 范纪华,章定国,谌宏,方海峰.  计算机仿真. 2017(08)
[4]仿章鱼软体机器人形状控制[J]. 张润玺,王贺升,陈卫东.  机器人. 2016(06)
[5]机器人研究进展与科学挑战[J]. 刘辛军,于靖军,王国彪,赖一楠,何柏岩.  中国科学基金. 2016(05)
[6]颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究[J]. 费明龙,徐小蓉,孙其诚,周公旦,金峰.  力学学报. 2016(01)
[7]柔性臂机器人控制关键技术的研究进展[J]. 陈宵燕,张秋菊,孙沂琳.  机械设计与研究. 2015(01)
[8]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永.  机械工程学报. 2014(09)
[9]我国机器人发展现状、需求及产业化探讨[J]. 沈绪明,董鹏.  物流技术(装备版). 2012(22)
[10]颗粒物质剪切流动的类固-液转化特性及相变图的建立[J]. 季顺迎,孙其诚,严颖.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2011(09)

博士论文
[1]气动人工肌肉位置伺服系统研究及其应用[D]. 杨钢.华中科技大学 2004

硕士论文
[1]一种充气式软体全向弯曲模块关键技术研究[D]. 董红兵.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于SMA与绳索混合驱动介入主动导管研究[D]. 张健.南京航空航天大学 2014



本文编号：3181917