發(fā)布時(shí)間：2018-01-19 07:17

  本文關(guān)鍵詞： 仿人下肢 氣動(dòng)肌肉 并聯(lián)機(jī)構(gòu) 結(jié)構(gòu)矩陣 運(yùn)動(dòng)學(xué) 虛功原理 動(dòng)力學(xué) 模糊自適應(yīng)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：氣動(dòng)肌肉作為一種由智能材料構(gòu)成的氣動(dòng)執(zhí)行元件,具有類似于人類肌肉的柔順性的特點(diǎn),同時(shí)人肢體的肌肉錯(cuò)綜復(fù)雜由內(nèi)、中、外多層肌肉協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)屈伸、收展、內(nèi)外旋,因此氣動(dòng)肌肉在仿生機(jī)器人領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。為了了解人的下肢在運(yùn)動(dòng)過程中肌肉和關(guān)節(jié)特性,首先,設(shè)計(jì)了基于氣動(dòng)肌肉的仿人下肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng),簡化了設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)并且進(jìn)行分析和優(yōu)化;其次,測試了氣動(dòng)肌肉的特性和推導(dǎo)了不規(guī)則分布肌肉驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程;最后,提出了基于觀測器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊自適應(yīng)控制策略,并且通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。論文分六章進(jìn)行闡述,各章主要內(nèi)容如下:第一章,概述了氣動(dòng)肌肉發(fā)展歷程和驅(qū)動(dòng)方式,總結(jié)了氣動(dòng)肌肉靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型、智能控制策略的國內(nèi)外研究狀況,闡述了氣動(dòng)在仿生領(lǐng)域的研究進(jìn)展,介紹了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的分類、應(yīng)用、控制策略,最后概述了本課題的研究意義和研究內(nèi)容。第二章,基于人體下肢骨骼肌的基本原理,設(shè)計(jì)了長度不等氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)不規(guī)則分布和踝關(guān)節(jié)環(huán)轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到膝關(guān)節(jié)的多關(guān)節(jié)并聯(lián)機(jī)構(gòu)仿人下肢、Field-Programmable Gate Array(FPGA)輸出多路Pulse Width Modulation(PWM)的軟件電路和高速開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)放大硬件電路,選擇了氣動(dòng)肌肉、高速開關(guān)閥等關(guān)鍵元器件,最后搭建了仿人下肢的控制系統(tǒng)。第三章,推導(dǎo)了關(guān)節(jié)肌肉運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解和關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)矩陣,仿真分析了肌肉的位移、速度和加速度特性,優(yōu)化了仿人下肢的機(jī)械結(jié)構(gòu)。第四章,搭建了氣動(dòng)肌肉測試試驗(yàn)臺,并測試了其力學(xué)輸出特性。分析了關(guān)節(jié)力矩輸出和慣量辨識,提出了肌肉簡化為單缸體執(zhí)行機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)矩陣、虛功原理結(jié)合求解動(dòng)力學(xué)方程,最終轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程。第五章,角度傳感器作為整體反饋傳感器替代傳統(tǒng)的每根肌肉并聯(lián)安裝拉線式傳感器測量其長度變化,提出了模糊自適應(yīng)整體控制髖關(guān)節(jié)的方法,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的梯度下降法優(yōu)化計(jì)算高斯基模糊控制的參數(shù),引入魯棒項(xiàng)以保證系統(tǒng)的魯棒性,并引入觀測器觀測不能夠直接測量的角加速度,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)率并用李雅普諾夫函數(shù)驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。最后,通過實(shí)驗(yàn)研究髖關(guān)節(jié)步態(tài)規(guī)劃和軌跡跟蹤過程中氣動(dòng)肌肉、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性。第六章對本論文的研究方法、研究內(nèi)容、研究結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié),并且展望了本課題未來的研究工作。
[Abstract]:Pneumatic muscle, as a pneumatic actuator composed of intelligent materials, is similar to the flexibility of human muscles. At the same time, the muscles of human limbs are intricate and complex to achieve flexion and extension by internal, middle and outer layers of muscles. In order to understand the characteristics of muscles and joints of human lower limbs in the course of movement, pneumatic muscles have a broad application prospect in the field of bionic robots. The mechanical structure and control system of humanoid lower extremity based on pneumatic muscle are designed, the design mechanism is simplified and analyzed and optimized. Secondly, the characteristics of pneumatic muscles are tested and the kinematics and dynamics equations of irregularly distributed muscle-driven joints are derived. Finally, a fuzzy adaptive control strategy based on observer neural network is proposed and verified by experiments. The thesis is divided into six chapters, the main contents of each chapter are as follows: chapter 1. The development history and driving mode of pneumatic muscle are summarized, the static and dynamic models of pneumatic muscle, the research status of intelligent control strategy at home and abroad are summarized, and the research progress in biomimetic field of pneumatic is described. The classification, application and control strategy of parallel mechanism are introduced. Finally, the research significance and research content of this subject are summarized. Chapter 2, based on the basic principle of human lower limb skeletal muscle. A multi-joint parallel mechanism driven by irregular distribution and rotation of ankle joint to the knee joint is designed. Field-Programmable Gate Arraya FPGA) outputs multichannel Pulse Width Modulation (PWM). The software circuit and the drive and amplify hardware circuit of the high speed switch valve. The pneumatic muscle, high speed switch valve and other key components are selected. Finally, the control system of humanoid lower limb is built. In chapter 3, the forward and negative kinematics solutions of joint muscle and the structure matrix of joint are derived. The displacement, velocity and acceleration characteristics of the muscle are simulated and analyzed, and the mechanical structure of the humanoid lower limb is optimized. Chapter 4th, a pneumatic muscle test rig is built. The mechanical output characteristics are tested, the joint torque output and inertia identification are analyzed, and the structure matrix of the single cylinder actuator and system is proposed. The virtual work principle is combined to solve the dynamic equation. Finally converted to the equation of state. 5th chapter, angle sensor as an integral feedback sensor instead of the traditional parallel installation of each muscle pull-wire sensor to measure its length change. A fuzzy adaptive global control method for hip joint is proposed. The gradient descent method of neural network is used to optimize the parameters of Gowski fuzzy control. The robust term is introduced to ensure the robustness of the system. The adaptive rate is designed and the stability of the system is verified by Lyapunov function. The kinematics and dynamics of pneumatic muscles and joints in the process of gait planning and trajectory tracking of hip joint are studied experimentally. Chapter 6th summarizes the research methods, contents, conclusions and innovations of this paper. And the future research work of this subject is prospected.
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP273

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 龐愛蘭;為什么運(yùn)動(dòng)后常感到身體不適?[J];出版參考;2004年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前4條

1 鄭慧利;;透析引起肌肉痙攣的防治體會(huì)[A];全國第二屆中醫(yī)中西醫(yī)結(jié)合腎臟病臨床進(jìn)展學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];2007年

2 郭慶睿;陳幼春;劉強(qiáng)德;曹兵海;;脂肪和肌肉的分布與肉牛胴體分割[A];首屆中國牛業(yè)發(fā)展大會(huì)論文集[C];2006年

3 顧景范;;營養(yǎng)與老年性肌肉衰減[A];第13屆全國臨床營養(yǎng)學(xué)術(shù)會(huì)議資料匯編[C];2011年

4 趙鈺雙;;血透中肌肉痙攣的治療與護(hù)理[A];全國第五屆血液凈化護(hù)理學(xué)術(shù)交流暨專題講座會(huì)議論文匯編[C];2007年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前7條

1 王樹明;有利健康的“壞毛病”[N];中國老年報(bào);2003年

2 保健時(shí)報(bào)實(shí)習(xí)記者 王朝;別讓領(lǐng)子欺負(fù)脖子[N];保健時(shí)報(bào);2007年

3 吳士文 武警總醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科副主任醫(yī)師;抽筋未必是缺鈣[N];大眾科技報(bào);2011年

4 劉江妹;伸個(gè)懶腰解春困[N];衛(wèi)生與生活報(bào);2007年

5 徐峰林;健康需要一些“壞毛病”[N];保健時(shí)報(bào);2006年

6 記者 衣曉峰 通訊員 傅然;“移花接木”修復(fù)面癱[N];健康報(bào);2001年

7 王克強(qiáng);豬病治療方法[N];吉林農(nóng)村報(bào);2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前4條

1 榮建華;冷凍和熱加工對脆肉鯇肌肉特性的影響及其機(jī)制[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2015年

2 姜飛龍;基于氣動(dòng)肌肉仿人下肢控制系統(tǒng)研究[D];浙江大學(xué);2017年

3 王研;肌肉內(nèi)血管畸形侵襲和凋亡的病理生物學(xué)研究[D];復(fù)旦大學(xué);2008年

4 于大志;肌內(nèi)神經(jīng)血管同時(shí)顯示方法的研究及其在臨床常用肌肉上的應(yīng)用[D];第二軍醫(yī)大學(xué);2010年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 馮睿;脛骨延長對肌肉的影響及IGF-1在其中作用[D];天津醫(yī)科大學(xué);2015年

2 曹丹;功能跑步褲結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D];北京服裝學(xué)院;2016年

3 李元石;長期伏案工作人群肌肉表面肌電信號的特性研究[D];天津科技大學(xué);2015年

4 譚瞻;人體頭頸部模型肌肉主動(dòng)力反饋控制研究[D];湖南大學(xué);2016年

5 張爭輝;人體上肢骨肌建模及肌肉力預(yù)測方法研究[D];天津大學(xué);2013年

6 孔令鑫;MR彌散張量成像纖維示蹤技術(shù)顯示軟組織腫瘤與其瘤周肌肉關(guān)系中的價(jià)值探討[D];大連醫(yī)科大學(xué);2015年

7 凌姍;超聲序列圖像中肌肉形態(tài)特征的自動(dòng)測量方法研究[D];中南大學(xué);2014年

8 李道友;草魚脆化養(yǎng)殖過程中的肌肉特性及脆性表征[D];華中農(nóng)業(yè)大學(xué);2011年

9 粟思橙;基于肌肉主動(dòng)力的頸部有限元建模研究[D];湖南大學(xué);2014年

10 楊玉花;DM/PM肌肉微血管和肌纖維的免疫病理改變及機(jī)理探討[D];蘇州大學(xué);2010年

，

本文編號：1443172