氣動人工肌肉作為一種新型氣動執(zhí)行元件已引起了國內(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,通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究建立了氣動人工肌肉較完整的靜動 態(tài)數(shù)學(xué)模型,在對氣動人工肌肉控制系統(tǒng)特性分析的基礎(chǔ)上應(yīng)用變結(jié)構(gòu)控制方法和模糊 理論設(shè)計(jì)了氣動人工肌肉的模糊變結(jié)構(gòu)控制策略,并應(yīng)用于自行設(shè)計(jì)的基于氣動人工肌 肉的新型三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺上。 本文首先分析了導(dǎo)致氣動人工肌肉理想靜態(tài)數(shù)學(xué)模型與實(shí)際結(jié)果相差較大的原因。 在此基礎(chǔ)上,抓住影響氣動人工肌肉特性的主要因素,橡膠彈性力以及橡膠筒與纖維層 間摩擦力的影響,建立了相對簡單而又較為完整的氣動人工肌肉靜態(tài)數(shù)學(xué)模型,并提出 了將氣動人工肌肉視為帶有彈性負(fù)載的變截面積氣缸的觀點(diǎn)。針對兩種不同型號的氣動 人工肌肉,通過實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真分析了氣動人工肌肉靜態(tài)力學(xué)特性,驗(yàn)證了靜態(tài) 數(shù)學(xué)模型的正確性。 其次,提出將氣動人工肌肉系統(tǒng)作為一種氣壓傳動系統(tǒng)來研究,并根據(jù)所提出的將 氣動人工肌肉視為變截面積氣缸的觀點(diǎn),在氣缸動態(tài)特性方程的基礎(chǔ)上方便地推導(dǎo)出了 描述氣動人工肌肉系統(tǒng)動態(tài)特性的非線性數(shù)學(xué)模型,并指出氣動人工肌肉系統(tǒng)的工作過 程可以劃分為等容充氣、充氣收縮、排氣伸長和等容排氣四個(gè)階段。同樣以兩種型號的 氣動人工肌肉為例,通過實(shí)驗(yàn)和仿真分析了氣動人工肌肉開環(huán)控制系統(tǒng)的動態(tài)工作特 性,驗(yàn)證了動態(tài)數(shù)學(xué)模型的正確性。 然后,針對氣動人工肌肉控制系統(tǒng)強(qiáng)非線性、難于建立精確數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn),在對 其特性分析的基礎(chǔ)上,提出氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)的兩層滑模模糊變結(jié)構(gòu)控制策 略。理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,常規(guī)變結(jié)構(gòu)控制由于控制輸入的劇烈顫振,容易引起系統(tǒng)響 應(yīng)的超調(diào)和抖動,不能獲得較好的動態(tài)特性,而模糊變結(jié)構(gòu)控制改善了系統(tǒng)動態(tài)性能, 響應(yīng)平滑,超調(diào)量小。兩種型號的氣動人工肌肉位置伺服系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)位置控制精度分別 可達(dá)到±0.2mm 和±0.3mm,即使在負(fù)載質(zhì)量和氣源壓力改變的情況下,雖然穩(wěn)態(tài)誤差 有所增加,但其穩(wěn)態(tài)控制精度仍可達(dá)到±0.3mm 和±0.5mm,系統(tǒng)對于擾動和外部參數(shù)的 變化具有強(qiáng)的魯棒性。對于氣動人工肌肉位置控制系統(tǒng)來說,模糊變結(jié)構(gòu)控制是可行的、 合理的。 最后,根據(jù)某水中運(yùn)動模擬裝置需要三個(gè)轉(zhuǎn)動自由度的要求,考慮到氣動人工肌肉 結(jié)構(gòu)簡單、無泄漏現(xiàn)象、適合在空氣與驅(qū)動環(huán)境分離的工況下工作,應(yīng)用氣動人工肌肉 作為驅(qū)動裝置,設(shè)計(jì)了一種新型基于氣動人工肌肉的三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺。在對該 新型三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)理論分析的基礎(chǔ)上,采用模 - I - WP=5 糊變結(jié)構(gòu)控制策略設(shè)計(jì)了新型三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺的模糊變結(jié)構(gòu)控制器,并建立了 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開展了新型三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺的軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表 明,采用氣動人工肌肉作為驅(qū)動裝置設(shè)計(jì)的三自由度并聯(lián)機(jī)器人平臺是可行的,模糊變 結(jié)構(gòu)控制策略對于該系統(tǒng)是適合的�；跉鈩尤斯ぜ∪獾男滦腿杂啥炔⒙�(lián)機(jī)器人平臺 的設(shè)計(jì)對氣動人工肌肉更加廣泛的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2004
【中圖分類】：TH138
【部分圖文】：

圖 1.1 氣動人工肌肉模型發(fā)展概況十年代，美國醫(yī)生 Joseph L.McKibben 發(fā)明我們通常所說的 McKibben 氣動人工肌肉[2]。 Rubber 公司，英國 Shadow 公司，加拿大 E開發(fā)出成系列的氣動人工肌肉工業(yè)產(chǎn)品，在人工肌肉是由內(nèi)部橡膠筒及外部纖維編織網(wǎng)tuator）。氣動人工肌肉充氣后可以實(shí)現(xiàn)徑向膨工肌肉有很大的初始拉力，當(dāng)收縮運(yùn)動時(shí)，的同時(shí)平穩(wěn)地到達(dá)目的位置。作為一種新型與力/長度特性酷似生物肌肉，因此氣動人工紀(jì)60年代就有將氣囊式人工肌肉應(yīng)用于兩足

不會損害操作對象，因此在醫(yī)療肌肉設(shè)計(jì)殘疾人假肢[13] [14]。美國華盛頓大從事氣動人工肌肉方面的研究，他設(shè)計(jì)的擬正常人的步伐，帶動假肢上的踝關(guān)節(jié)運(yùn)，使他們走的更快更輕松。其外觀結(jié)構(gòu)如

動人工肌肉具有柔性，不會損害操作對象，因此在醫(yī)療機(jī)械方面也采用氣動人工肌肉設(shè)計(jì)殘疾人假肢[13] [14]。美國華盛頓大學(xué)生化機(jī)器授多年來一直從事氣動人工肌肉方面的研究，他設(shè)計(jì)的一種由氣動裝置[4]，能模擬正常人的步伐，帶動假肢上的踝關(guān)節(jié)運(yùn)動，從而幫減少能量損耗，使他們走的更快更輕松。其外觀結(jié)構(gòu)如圖 1.4 所示圖 1.2 四手指柔性機(jī)械手
【引證文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 楊鋼;李寶仁;傅曉云;;氣動人工肌肉系統(tǒng)動態(tài)特性研究[J];中國機(jī)械工程;2006年12期

2 杜經(jīng)民,朱端陽,楊鋼,李寶仁;氣動人工肌肉靜態(tài)特性實(shí)驗(yàn)研究[J];液壓與氣動;2005年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 于蓮芝;呼吸參數(shù)直接監(jiān)測仿生微型機(jī)器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究[D];上海交通大學(xué);2007年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 方敏;基于氣動人工肌肉隔振平臺的研究[D];華中科技大學(xué);2006年

2 劉靖;氣動肌肉驅(qū)動的下肢康復(fù)訓(xùn)練器的研制[D];廣東工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號：2857618