气动人工肌肉的理想建模及仿真

分析并指出Chou所建气动人工肌肉理想模型存在的不足,建立了气动人工肌肉理想状态下的数学模型,并通过仿真说明所建立的理想模型比Chou所建立理想模型更接近于实验数据,为以后控制策略的选取以及实验研究打下基础.     

气动人工肌肉驱动的直线关节的研究

气动人工肌肉是一种由气压驱动的收缩型气动橡胶执行器,本文以一对气动人工肌肉驱动的直线关节为研究对象,将气动人工肌肉视为变刚度的气动弹簧,推导出气动人工肌肉直线关节系统的两种驱动模型,并对其驱动特性进行实验仿真研究。实验结果表明气动人工肌肉直线驱动关节具有与弹簧相似的驱动特性,为气动人工肌肉驱动直线关节的应用打下基础。     

编织型气动人工肌肉几何特性研究

以McKibben型气动人工肌肉为研究对象,对编织型气动人工肌肉工作机理进行了研究,建立了考虑端部有径向约束的气动人工肌肉几何模型,并对所建模型进行数值分析。通过与理想圆柱模型的对比,所建模型从理论上能更精确描述气动人工肌肉的工作特性,这对建立更加精确的气动人工肌肉模型有着重要的意义。     

气动人工肌肉刚度特性的分析

基于气动人工肌肉输出力的理想模型,推导出将气动人工肌肉视为变刚度弹簧的刚度表达式,并研究了由一对气动人工肌肉组成的直线驱动关节的刚度模型.仿真结果表明:在气动人工肌肉结构参数一定的情况下,直线驱动关节的初始刚度只与上、下气动人工肌肉的内部充气压力以及充气压力差有关,关节的刚度参数可通过改变上、下气动人工肌肉的充气压力来进行调节.研究结果为基于气动人工肌肉隔振控制研究奠定了基础.     

基于实验模型的气动人工肌肉位置控制研究

针对目前气动人工肌肉数学模型建模过程较为复杂的问题,提出一种气动人工肌肉的实验模型辨识方法。以气动人工肌肉-质量系统为实验对象,对其输入气压与气动肌肉收缩量之间的关系模型进行实验辨识研究。采用欠阻尼二阶系统来描述气动人工肌肉充气与排气过程的动态响应,并利用实验数据对模型参数进行辨识。最后基于辨识得到的模型进行气动人工肌肉的位置控制,实验结果验证了模型的有效性。     

基于改进模型的气动肌肉神经网络串级控制

气动肌肉的理论模型是其控制器设计的基础。为了得到较完整的气动肌肉的理论模型,作者在Chou理想模型的基础上,综合考虑影响气动肌肉特性的主要因素,推导了气动肌肉收缩力-位移-气压三者之间的解析表达式,建立了相对简单而又较为完整的气动肌肉的改进静态数学模型。在此基础上,利用神经网络控制器的自适应与鲁棒性等优点,设计了一种针对气动肌肉驱动关节的神经网络PID串级控制器,该串级控制器采用内环气压控制器与外环位置控制器分别对气压与位置进行闭环控制,实验结果验证了该控制器的有效性。     

基于反馈线性化的内外双环型双缸气动位置同步控制

气动同步控制是同步控制研究领域的关键问题,本文详细分析了双缸气动位置同步系统的基本控制特性,并建立双缸系统数学模型.提出了基于压力反馈线性化、摩擦力补偿的双环同步跟踪控制器,并将其应用于双缸位置同步控制.实验结果表明,该控制方法基于系统的特性,设计简洁,实用,控制效果良好.     

基于粒子群算法的气动人工肌肉建模与优化

对气动人工肌肉的数学模型进行研究.给出基本数学模型,在此基础上提出一种简化模型,利用粒子群算法对简化模型的相关参数进行优化,将利用简化后的数学模型得到的计算数据和实验数据进行对比.结果表明优化后的数学模型切实可行,有利于控制策略的实现,简化了算法程序设计.     

基于数值模型的金属橡胶刚度特性细观机理研究

以完全基于实际材料、工艺参数建立的金属橡胶数值模型为基础,对材料非线性刚度特性的细观机理进行了研究。在成形压力曲线、组织形态、尺寸、准静态加载曲线四个方面对数值模型进行了验证。对金属橡胶组织结构进行分解,建立了弹性微元细观模型及其局部坐标。对弹性微元的空间运动模式、z向弹性变形模式、xoy平面弹性变形模式进行了分析。建立了金属橡胶非线性刚度特性的数学模型,对非线性刚度的细观机理进行了数学描述。数值模型与实验吻合良好,可靠性较强。准静态加载过程中,弹性微元的空间运动以平移为主,空间转动很小;z向弹性变形可以等效为若干曲梁的并联,并联曲梁个数与应变呈线性关系;xoy平面内的弹性变形是一种使弹性微元两端点距离变小的弯曲变形。建立的数学模型与实验结果吻合良好,包含了材料的基本结构参数、细观特征参数以及非线性刚度机理参数,各参数物理意义充分,模型准确性较好。理论模型能够对材料非线性刚度的细观本质进行解释,对材料的设计具备一定的指导意义。     

约束边界条件对气动复合弹性体形变性能的影响

采用橡胶气囊和约束元件研制了一种新型伸长型气动人工肌肉。采用高分辨率CT机测试了肌肉内部气囊与约束边界接触变形,并利用静力学实验装置进行了不同类型约束环人工肌肉在气压驱动下变形对比实验,获得了不同约束边界条件对气动复合弹性体的形变性能影响规律。结果表明:自由约束边界大小决定人工肌肉的形变性能,圆环状约束边界明显高于圆柱状。其变形能力与约束环厚度成反比,与间隙成正比。在0.3 MPa气压下,圆环状约束环约束的肌肉轴向变形量比柱状约束环增加了51.9%;厚度为5 mm的约束环比厚度1 mm约束环轴向变形量减少了11.9%;间隙为1 mm约束环比无间隙轴向变形量增加了65.1%。     

变腔室气动软体机械手结构设计与实验

采用自制的变腔室气动驱动器设计了一种柔性三指机械手,通过依次改变驱动器的腔室结构提高柔性手爪的变形和刚度。建立变腔室气动软体驱动器形变模型,分析腔体鼓包变形与腔内气压关系,并进行仿真分析和静力学实验,获得不同气压下的变形特性和不同触点的正压力。进行了不同形状和尺寸物品的抓取实验,结果表明:该三指机械手具有较好的柔性和灵活性,变腔体结构的驱动器可以提高软体手爪的变形和夹持力。     

基于前馈和滑模复合结构的飞行器电动舵机控制

针对飞行器电动舵机伺服系统的控制问题,提出了一种能够有效抑制传动机构非线性摩擦的控制方法,该方法由前馈补偿器、基于LQR的PID反馈控制器以及滑模控制器构成。前馈控制能够提高系统响应的快速性,PID反馈控制提高系统的抗干扰能力,针对非线性摩擦设计的滑模控制律,用来削弱非线性摩擦对舵机伺服的影响。在分析电动舵机伺服系统构成的基础上,给出了非线性摩擦的Stribeck模型;建立了系统数学模型,在此基础上分析得出前馈补偿器的结构和参数;引入参考给定量,建立基于误差的状态控制方程,设计了基于LQR的PID控制器以及抑制非线性摩擦扰动的滑模控制律。分别对含有滑模控制器和不含滑模控制器的控制方法进行了仿真实验,实验结果表明:含有滑模控制器的控制方法能够有效抑制非线性摩擦引起的速度抖动问题以及位置"平顶"现象。     

融合光纤感知的气动执行器夹持力控制策略研究

为了降低气动执行器夹持力/气压迟滞的影响,提高夹持力跟踪控制精度,提出一种基于Prandtl-Ishlinskii （P-I） 逆模型的前馈补偿结合模糊PID的控制策略。分析气动执行器的夹持力/气压迟滞特性,通过初载曲线法辨识迟滞模型参数,建立P-I逆模型;设计融合FBG力感知的模糊PID控制算法,基于自制的FBG传感器实现夹持力反馈,通过标定实验验证传感器的静态特性。在Simulink中构建前馈补偿和融合FBG力感知的模糊PID相结合的复合控制器,完成与传统PID以及模糊PID控制器的夹持力控制仿真对比。仿真结果显示：前馈补偿可以降低稳态误差,提高控制精度。最后,在气动执行器夹持力控实验平台上开展动态跟踪实验,验证了所设计复合控制器的有效性。     

基于细观力学方法的金属橡胶迟滞特性本构模型

依据金属橡胶典型细观结构特征,对金属橡胶压缩变形金属线匝的空间位形和接触模式进行了分析,揭示了金属橡胶变形的细观物理机制。提出了基于变长度曲梁的细观结构单元以及曲梁间的接触作用模型,结合摩擦接触点分布规律,建立了包含金属丝直径、金属丝弹性模量、螺旋卷直径、金属橡胶相对密度等基本结构参数的金属橡胶迟滞特性本构模型,实现了金属橡胶初始加载、卸载和重复加载过程恢复力曲线的描述,从理论上解释了金属橡胶的弹性性能和多点接触的干摩擦阻尼特性。通过不同相对密度金属橡胶试件对所建模型进行试验验证,发现理论预测和试验结果基本一致,为金属橡胶刚度和阻尼的预估以及产品的设计提供了理论依据。     

气动肌腱驱动的双边铰杆增力夹具及其力学计算

气动肌腱是一种新型的柔性气动执行元件,具有许多普通气缸所不具备的特性,能较好地适应传动技术绿色化这一发展趋势.将气动肌腱与各种型式的机械增力机构相结合,是一种实用而又新颖的创新设计方法.在此基础上,文章介绍了一种以气动肌腱为驱动力的双边铰杆增力气动夹具的结构特点、工作原理,并给出了其力学计算公式.     

金属橡胶冲压成形数值模拟分析

以自动毛坯缠绕工艺为支撑,基于实际材料、工艺参数,建立了空间弯曲螺旋线参数化方程、金属橡胶及毛坯的细观结构数值模型。通过数值模型,预测了构件的成形压力、模具摩擦力、模具应力、构件成形尺寸、回弹量、固相体积分数、接触点数、材料细观结构和组织分布等特性,预测结果与实验结果吻合良好。数值模型具有明确的物理意义和良好的可靠性,对于金属橡胶的制备具有较强的指导作用,为金属橡胶的细观尺度研究提供了途径。     

气动肌腱驱动的小型压力机

介绍了一种以单根气动肌腱为驱动装置的压力机增力机构设计方案.利用气动肌腱这种输出力大和安装空间小的柔性驱动器与楔块和铰链连杆机构相结合而组成的增力机构,得到高倍数输出力.该机构是一种传动简单、结构紧凑、噪音小、增力比大且易于实现的驱动机构.气动肌腱具有在短行程中产生高输出力的特点,所以,是一种小型压力机和冲压机的理想驱动器.给出了该机构的工作原理、力学分析和参数计算方法,为小型压力机及台式冲压机提供了一种新的驱动方法.     

基于ADAMS与AMESim的油气悬架密封圈阻尼作用影响分析

油气悬架在工程自卸车中应用普遍,密封圈作为重要组成单元,摩擦作用产生阻尼对油气悬架性能具有重要影响。针对油气悬架密封圈阻尼作用的影响进行分析,建立单气室油气悬架的数学模型。基于ADAMS搭建二自由度的1/4自卸车的悬架模型,基于AMESim搭建油气悬架数学模型,二者联立搭建油气悬架整个工作系统的分析模型,采用正弦性周期激励作为系统输入,对密封圈阻尼作用影响进行分析。搭建油气悬架试验台,对系统特性进行分析,根据试验结果对分析模型进行修正并对模型的准确性进行验证。结果可知:考虑密封圈阻尼作用影响时,当簧载质量发生变化时,修正后模型使得车身加速度和车轮相对动载荷的最大值都明显降低,整车性能改善明显;对比分析可知修正后模型的准确性与可靠性;为此类自卸车悬架系统设计研究提供参考。     

气动人工肌肉驱动器的研究现状及发展趋势

气 人工肌肉驱动器作为一种新型的机器人驱动器，以其简单的设计和独特的仿生性一直受到人们的关注，自其问世以来，人们对它的研究方兴未艾，本文介绍了气动人工肌肉驱动器的结构与特点，列举了丰富的应用实例，总结了目前国内外的研究现状，并展望了这种新型气动驱动器的发展趋势。