氣動機械手關(guān)節(jié)的研究.pdf

1、氣動人工肌肉作為一種新型的驅(qū)動器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、安全柔順、功率重量比大等優(yōu)點，引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文以氣動人工肌肉為研究對象，根據(jù)已有的理論基礎(chǔ)，得到了氣動人工肌肉較完整的靜動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用于氣動機械手關(guān)節(jié)上，在對氣動人工關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上，應(yīng)用變結(jié)構(gòu)控制方法設(shè)計了全局滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，并通過仿真，分析了控制器對外界干擾和外部參數(shù)的魯棒性，達到了良好的控制效果。 本文首先基于氣動人工肌肉理想

2、靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，結(jié)合已有的考慮橡膠彈性力、肌肉末端弧度和肌肉內(nèi)部摩擦力影響的改進數(shù)學(xué)模型，得出氣動人工肌肉相對簡單又符合實際的較完整的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型。氣動人工肌肉的進氣排氣流量通過高速開關(guān)閥來進行控制，而開關(guān)閥作為一種數(shù)字閥，通過PWM信號以占空比的形式來控制閥的流量，實現(xiàn)肌肉內(nèi)部壓力變化，進而帶動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動?；诖?，再結(jié)合已有的將氣動人工肌肉作為變截面氣缸的思想，得到了其內(nèi)部動態(tài)微分方程。 其次，根據(jù)單根氣動肌肉和彈簧對拉關(guān)節(jié)系統(tǒng)的

3、工作原理，建立關(guān)節(jié)的靜態(tài)數(shù)學(xué)模型，分析充氣壓力和彈簧剛度對關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的影響。根據(jù)已有的氣動人工肌肉動態(tài)微分方程和關(guān)節(jié)的動力學(xué)方程，建立以角度、角速度和充氣壓力為狀態(tài)量的狀態(tài)方程，通過比較開環(huán)系統(tǒng)中的實驗曲線和仿真曲線，證明所建立的數(shù)學(xué)模型很接近實際系統(tǒng)，此模型是正確的，這為后面的控制器設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。同時分析各個參數(shù)對系統(tǒng)輸出角度的影響，以便于在控制器設(shè)計中，采取有效的方法達到關(guān)節(jié)角度控制的快速性和高精度性。 最后，針對氣動

4、人工關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)強非線性、難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點，在對其模型進行化簡，得到了更簡單且符合實際的被控對象的三階非線性系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，借鑒滑模變結(jié)構(gòu)控制對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型對不確定性和外部擾動是魯棒和不敏感的特點，提出了氣動人工關(guān)節(jié)位置伺服系統(tǒng)的全局滑模變結(jié)構(gòu)控制策略，仿真分析了控制器在不同參數(shù)情況下的跟蹤效果。實驗結(jié)果表明，該控制方法能夠使系統(tǒng)的動態(tài)特性得到改善，且響應(yīng)平滑、超調(diào)量小，對擾動和外部參數(shù)的變化具有良好的魯棒性，適合于氣動人