氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人腿關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、氣動(dòng)產(chǎn)品以其不可替代的獨(dú)特性能正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到社會(huì)生活、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，而氣動(dòng)人工肌肉作為一種新型的氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，在性能和結(jié)構(gòu)上具有類似于生物肌肉的良好特性，正引起廣泛的關(guān)注，可以預(yù)見(jiàn)其在理療、仿生等領(lǐng)域?qū)⒕哂袠O為良好的應(yīng)用前景.本文以氣動(dòng)人工肌肉為應(yīng)用對(duì)象，基于理論模型并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究建立了氣動(dòng)人工肌肉的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的仿人下肢多自由度關(guān)節(jié)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了單自由度和兩自由度氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)系統(tǒng)

2、特性進(jìn)行了分析，并分別應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)魯棒控制和自適應(yīng)魯棒控制等多種算法實(shí)現(xiàn)了氣動(dòng)人工肌肉的高精度軌跡跟蹤控制。 論文分七章進(jìn)行闡述，主要內(nèi)容如下： 第一章首先敘述了本課題的相關(guān)研究背景。介紹了氣動(dòng)人工肌肉的工作原理和發(fā)展歷程，綜述了國(guó)內(nèi)外氣動(dòng)人工肌肉的相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)，闡述了本研究課題的來(lái)源及研究意義，最后給出了本文所要進(jìn)行的主要工作和研究?jī)?nèi)容。 第二章建立了研究課題采用的相關(guān)硬件系統(tǒng)?；谌梭w下肢的

3、生理結(jié)構(gòu)分析，以氣動(dòng)人工肌肉為驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了多自由度仿人下肢機(jī)構(gòu)，針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用需要，在結(jié)構(gòu)參數(shù)上進(jìn)行了優(yōu)化；確定了滿足控制系統(tǒng)應(yīng)用要求的相應(yīng)元件；分別建立了兩種完整的控制器設(shè)計(jì)平臺(tái)，并進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)測(cè)試了整個(gè)系統(tǒng)的可行性。 第三章對(duì)建立的多自由度仿人腿關(guān)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。以德國(guó)FESTO公司的氣動(dòng)肌腱產(chǎn)品為具體研究對(duì)象，測(cè)試了某型號(hào)氣動(dòng)人工肌肉的相關(guān)物理性能，包括其外部橡膠層的彈性模量，等壓、等張和等長(zhǎng)等多種不同條件下的力

4、學(xué)性能，分析了導(dǎo)致靜態(tài)理論模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差距較大的原因，并從控制器設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)理論模型進(jìn)行了參數(shù)修正，建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為吻和的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型；測(cè)試了驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)人工肌肉的PWM高速開(kāi)關(guān)閥的流量特性；結(jié)合熱力學(xué)方程以及關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型，分別建立了單自由度和兩自由度氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型；對(duì)建立的模型進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明建立的數(shù)學(xué)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近；仿真分析了氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)工作特性以及相關(guān)的系統(tǒng)性能影響因素。

5、 第四章針對(duì)氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)系統(tǒng)具有強(qiáng)非線性、難以建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，在對(duì)其特性分析的基礎(chǔ)之上，對(duì)氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了基于參考模型的滑模變結(jié)構(gòu)魯棒控制器。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變結(jié)構(gòu)控制器對(duì)于擾動(dòng)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(jié)構(gòu)魯棒控制設(shè)計(jì)，為了進(jìn)一步提高控制精度，采用了一種自適應(yīng)魯棒控制策略(ARC)，綜合了自適應(yīng)控制和魯棒控制策略，在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)一步減小了軌跡跟蹤誤差，提高了系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ARC控制器的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.003rad，單自由度關(guān)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(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，為了降低應(yīng)用成本，采用了僅需要位置反饋信號(hào)的飽和自適應(yīng)魯棒控制器(SARC)，仍然在魯棒控制的基礎(chǔ)之上，通過(guò)結(jié)合參數(shù)自適應(yīng)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(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SARC控制器在控制單自由度氣動(dòng)人工肌肉關(guān)節(jié)時(shí)，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(guān)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.