氣動人工肌肉驅(qū)動的雙關(guān)節(jié)靈巧手指位置控制.pdf

1、氣動人工肌肉,依據(jù)仿生學(xué)開發(fā)的氣動產(chǎn)品，以其取材方便、用料簡單、高環(huán)保無污染、高功率質(zhì)量比等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)自動化領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注，特別是其在康復(fù)醫(yī)學(xué)機(jī)器人上的良好表現(xiàn)引人注目。根據(jù)研究表明，裝配有氣動人工肌肉的仿生機(jī)器人靈巧手的質(zhì)量較裝配電機(jī)的仿生機(jī)器手的質(zhì)量更輕，而且氣動人工肌肉特有的柔性特質(zhì)避免了對與其交互的人類造成傷害。然而，就氣動人工肌肉驅(qū)動的仿生機(jī)器靈巧手的控制而言，氣體的可壓縮性，氣動人工肌肉囊腔的柔性，腱傳動纏繞方式帶

2、來的控制耦合以及關(guān)節(jié)自身的非線性模型等情況引起了強(qiáng)非線性和強(qiáng)擾動等控制難題。為了解決以上問題，本論文提出了如下的研究路徑和解決方案。
　　第1章，綜合國際與國內(nèi)機(jī)器人靈巧手的發(fā)展情況，總結(jié)關(guān)于機(jī)器人靈巧手的機(jī)械模型，運(yùn)動傳動，控制策略等方面的優(yōu)點(diǎn)和不足，證明本論文研究工作的意義。
　　第2章，關(guān)于機(jī)器人靈巧手指的機(jī)械設(shè)計：根據(jù)人體手臂，手掌及手指的解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，探究氣動人工肌肉工作的基本結(jié)構(gòu)，工作原理和相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。同時，受

3、仿生學(xué)理念啟發(fā)并根據(jù)自己控制實驗的需要設(shè)計雙關(guān)節(jié)被執(zhí)行結(jié)構(gòu)和傳動路徑。簡要介紹了實驗平臺及經(jīng)典 PID控制，將設(shè)計好的機(jī)器人靈巧手指，氣動人工肌肉及其他產(chǎn)品組成閉環(huán)控制實驗平臺，并按照閉環(huán)控制信息流順序方向逐一介紹實驗平臺組成元器件的型號，性能及使用方法。同時利用經(jīng)典 PID控制器進(jìn)行控制，結(jié)果可作為筆者提出的控制器的對比。
　　第3章，針對氣動人工肌肉驅(qū)動的靈巧手指位置控制中出現(xiàn)的非線性和耦合問題，本文提出了基于Back-ste

4、pping原理設(shè)計的自抗擾控制器的解決方案，同時設(shè)計了跟蹤微分器來抑制超調(diào)現(xiàn)象和擴(kuò)張狀態(tài)觀測器來處理非線性和耦合問題，實驗表明本文設(shè)計的自抗擾控制器具有極高的控制精度。
　　第4章，Back-stepping方法適合為高階系統(tǒng)設(shè)計控制器，且設(shè)計出的控制器復(fù)雜。為改進(jìn)第3章所設(shè)計的自抗擾控制器多參數(shù)帶來的調(diào)參困難狀況和簡化控制器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計基于擴(kuò)張狀態(tài)器的滑?？刂破?。實驗表明該控制器能提高跟蹤速度和改善自抗擾控制器第一個關(guān)節(jié)的微超調(diào)