氣動人工肌肉驅動的仿人腿關節(jié)運動控制研究.pdf

1、氣動產品以其不可替代的獨特性能正越來越廣泛地應用到社會生活、工業(yè)生產等各個領域，而氣動人工肌肉作為一種新型的氣動驅動器，在性能和結構上具有類似于生物肌肉的良好特性，正引起廣泛的關注，可以預見其在理療、仿生等領域將具有極為良好的應用前景.本文以氣動人工肌肉為應用對象，基于理論模型并通過實驗研究建立了氣動人工肌肉的靜態(tài)數(shù)學模型，設計了采用氣動肌肉驅動的仿人下肢多自由度關節(jié)的機械結構，建立了單自由度和兩自由度氣動人工肌肉關節(jié)的數(shù)學模型，對系統(tǒng)

2、特性進行了分析，并分別應用滑模變結構魯棒控制和自適應魯棒控制等多種算法實現(xiàn)了氣動人工肌肉的高精度軌跡跟蹤控制。 論文分七章進行闡述，主要內容如下： 第一章首先敘述了本課題的相關研究背景。介紹了氣動人工肌肉的工作原理和發(fā)展歷程，綜述了國內外氣動人工肌肉的相關領域研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢，闡述了本研究課題的來源及研究意義，最后給出了本文所要進行的主要工作和研究內容。 第二章建立了研究課題采用的相關硬件系統(tǒng)?；谌梭w下肢的

3、生理結構分析，以氣動人工肌肉為驅動器設計了多自由度仿人下肢機構，針對移動機器人應用需要，在結構參數(shù)上進行了優(yōu)化；確定了滿足控制系統(tǒng)應用要求的相應元件；分別建立了兩種完整的控制器設計平臺，并進行了初步實驗測試了整個系統(tǒng)的可行性。 第三章對建立的多自由度仿人腿關節(jié)系統(tǒng)進行數(shù)學建模。以德國FESTO公司的氣動肌腱產品為具體研究對象，測試了某型號氣動人工肌肉的相關物理性能，包括其外部橡膠層的彈性模量，等壓、等張和等長等多種不同條件下的力

4、學性能，分析了導致靜態(tài)理論模型與實驗結果差距較大的原因，并從控制器設計角度出發(fā)，對理論模型進行了參數(shù)修正，建立了與實驗結果較為吻和的靜態(tài)數(shù)學模型；測試了驅動氣動人工肌肉的PWM高速開關閥的流量特性；結合熱力學方程以及關節(jié)動力學模型，分別建立了單自由度和兩自由度氣動人工肌肉關節(jié)的數(shù)學模型；對建立的模型進行了靜、動態(tài)實驗驗證，結果表明建立的數(shù)學模型與實驗結果較為接近；仿真分析了氣動人工肌肉關節(jié)的動態(tài)工作特性以及相關的系統(tǒng)性能影響因素。

5、 第四章針對氣動人工肌肉關節(jié)系統(tǒng)具有強非線性、難以建立精確數(shù)學模型的特點，在對其特性分析的基礎之上，對氣動人工肌肉關節(jié)的數(shù)學模型進行了簡化，設計了基于參考模型的滑模變結構魯棒控制器。仿真和實驗結果表明，變結構控制器對于擾動和外部參數(shù)變化具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性，穩(wěn)態(tài)誤差小于0.005rad，單自由度低頻跟蹤誤差小于0.04rad，高頻跟蹤誤差小于0.06rad。兩自由度低頻跟蹤誤差小于0.025rad，高頻跟蹤誤差小于0.06rad。

6、 第五章基于滑模變結構魯棒控制設計，為了進一步提高控制精度，采用了一種自適應魯棒控制策略(ARC)，綜合了自適應控制和魯棒控制策略，在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，通過對模型參數(shù)進行自適應調整，進一步減小了軌跡跟蹤誤差，提高了系統(tǒng)性能。實驗結果表明，ARC控制器的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.003rad，單自由度關節(jié)的低頻跟蹤誤差小于0.01rad，高頻跟蹤誤差小于0.05rad。兩自由度低頻誤差小于0.015rad，高頻跟蹤誤差小于0.03ra

7、d。 第六章從實際應用角度出發(fā)，為了降低應用成本，采用了僅需要位置反饋信號的飽和自適應魯棒控制器(SARC)，仍然在魯棒控制的基礎之上，通過結合參數(shù)自適應律提高控制精度，由于不需要壓力反饋，極大地提高了控制系統(tǒng)的實用性。實驗結果表明，SARC控制器在控制單自由度氣動人工肌肉關節(jié)時，低頻連續(xù)軌跡跟蹤誤差小于0.01rad，高頻跟蹤誤差小于0.03rad，控制兩自由度關節(jié)跟蹤低頻連續(xù)軌跡誤差小于0.025rad，高頻跟蹤誤差小于0.