类人气动肌肉模型与实验研究

在理论分析和实验的基础上，建立了人工气动肌肉的数学模型．该模型中考虑了橡胶管弹性、类人气动肌肉壁厚、人工肌肉末端弧度、编织网线之间以及编织网和橡胶管之间的摩擦力对气动肌肉驱动特性的影响．设计实验系统对人工气动肌肉进行了等压实验、负载拉力恒定实验和等长实验，实验结果与改进后的模型仿真结果吻合较好．     

气动人工肌肉关节驱动特性实验研究

针对气动人工肌肉柔软的物理特性，设计一种新型的气动人工肌肉实验台，该试验台采用气缸作为气动人工肌肉的负载，自动测量气动人工肌肉的参数；通过对实验数据进行拟合，建立简单实用的静态特性模型；对由一对人工肌肉组成的关节进行静态实验和阶跃实验，实验结果表明，气动人工肌肉关节线性度高，但响应速度低，存在滞环．     

气动人工肌肉与标准气缸的力特性比较

为了精确地描述气动人工肌肉的力特性，建立了一个基于弹性力学的新型串联模型，并结合实验评估系统的实验结果对它进行进一步的补偿．气动人工肌肉和气缸在模型和实验数据方面的比较结果表明，气缸模型虽然简单，但爬行现象严重；气动人工肌肉的模型复杂，却无爬行现象，为气动人工肌肉在工业中的应用提供了设计依据．     

基于分组数据处理神经网络气动人工肌肉迟滞特性

气动人工肌肉的动态特性中存在着非常复杂的迟滞现象.目前对其迟滞特性的研究很不充分,甚至对其输入空间都难以确定.为此,建立了单自由度气动人工肌肉实验平台,利用分组数据处理神经网络独特的自组织特性,运用数据挖掘技术探索气动人工肌肉迟滞特性的输入空间.将自适应模糊小脑模型神经网络引入滑模控制,基于已确定的输入空间,在每个采样周期逼近迟滞力不断变化的动态值,在线实时补偿迟滞力的影响.实验结果验证了输入空间选取的合理性和有效性.
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基于PSO的气动人工肌肉驱动关节优化的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中,存在一个最优关节设计,包括关节半径、肌肉附着点最优位置等,使得对同一系统输出转矩达到最优.通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型.改变气动人工肌肉的状态参数进行仿真,得到关节半径变化、肌肉附着点变化与关节输出转矩、收缩量之间的关系,并利用PSO计算出最优关节半径与肌肉附着点最优位置.此分析方法与结果对气动肌肉驱动的仿生手臂的结构设计起到有效的指导作用.     

智能控制气动人工肌肉座椅减振特性研究

以Mckibben型气动人工肌肉为履带式工程车辆座椅的缓冲执行器,建立了三自由度座椅主动缓冲减振模型;以白噪声模拟路面输入,采用智能BP神经网络PID控制对座椅的减振特性进行研究.并以座椅加速度和位移的最大值、最小值、标准差三项指标进行对比分析.仿真结果表明,在选定的3种工况下,Mckibben型气动人工肌肉缓冲座椅较...     

气动人工肌肉系统控制性能的实验研究

采用变结构控制对单根气动人工肌肉系统进行了实验研究，分析了气动人工肌肉系统的控制特性。实验结果表明气动人工肌肉系统是强非线性、低刚度的控制系统。简单的变结构控制算法不能够实现单根气动人工肌肉较大范围和伸缩过程的控制要求。应根据控制需要，将变结构控制与智能控制方法相结合，以实现系统鲁棒性和高精度控制。为气动人工肌肉系统控制策略进一步的研究奠定了基础。     

关于PMA驱动的手指关节半径优化问题的研究

提出在气动人工肌肉驱动的关节系统中存在一个最优关节半径,使得对同一系统输出转矩达到最大. 通过分析气动人工肌肉静态特性模型,推导出关节静特性模型. 改变气动人工肌肉的结构参数或状态参数进行仿真,得到关节半径变化与关节输出转矩之间的关系,并计算出最优关节半径. 关节转角越大,最优关节半径越小;肌肉越长,最优关节半径越大,肌肉的直径对最优关节半径影响不明显. 该分析方法与结果对气动肌肉驱动的灵巧手的结构设计起到有效的指导作用.     

基于气动人工肌肉力反馈数据手套的柔性物体力觉再现

为了模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知,该文对以气动人工肌肉作为驱动器的外骨架力反馈数据手套进行了研究.利用气动人工肌肉的等压特性,建立了柔性物体模拟的数学模型,通过改变气动人工肌肉的充气压力改变其刚度系数,实现对不同柔性物体的模拟.实验结果表明:在相同的手指弯曲角度下,手指的受力随着气动人工肌肉充气压力的增大而增大,因而能够模拟抓取虚拟环境中柔性物体的力觉感知.     

气动人工肌肉驱动多自由度平台的非线性特性

以气动人工肌肉为驱动器，构造了一个新型的多自由度平台实验系统，基于对其运动特性的分析。建立了以微分方程表达的系统的非线性动力学模型，并进一步将其变换成状态空间的仿射非线性表达形式．通过数字仿真结果和实验结果的对比，证明了所建立的数学模型的正确性，并得到了该系统的一系列非线性特性．结果表明，气动人工肌肉驱动的多自由度平台具有很好的可控性及稳定性．     

水压人工肌肉的压力控制与静态特性试验

水压人工肌肉与气动人工肌肉因介质压缩性差异,驱动控制过程和特性不同.为了实现对新研制的高强度水压人工肌肉的驱动控制并分析其静态特性,提出了新的水压人工肌肉压力控制回路,建立了测试试验系统.压力控制回路调压试验表明,在水液压比例节流阀10% ～ 90%输入范围内,水压人工肌肉驱动压力可实现较大范围的线性调节;静态试验结果表明,水压人工肌肉收缩量、驱动压力和输出力满足理论关系式.所研制的水压人工肌肉能够承受4 MPa的内部水压力和14 kN的负载拉力,通过静态特性试验及与现有静态模型比较分析,获取了模型参数,为水压人工肌肉机械关节的驱动与控制提供了条件.      

气动人工肌肉的动态驱动特性研究

针对由气动人工肌肉、高速开关阀和PLC控制器等组成的气动系统,分析了气动人工肌肉系统动态收缩量的数学模型,描述了收缩量随着工作频率和气压的变化关系,将收缩量理论模型与实验值的误差控制在4%以内,为气动人工肌肉的定位控制提供了理论基础.考虑到气动人工肌肉在动态过程中存在内部橡胶材料阻尼和空气流体阻尼,在现有的驱动力数学模型上添加了阻尼力项,建立了阻尼力与工作气压、工作频率和人工肌肉结构参数的数学模型,将气动人工肌肉动态驱动力的误差从16%下降到2.7%.通过理论仿真和实验验证,证明了所建立的动态收缩量数学模型和所改进的动态驱动力数学模型的正确性.     

McKibben型气动人工肌肉建模方法研究

对McKibben型气动人工肌肉的建模方法进行了研究.主要有两种建模方法,一种是能量法,另一种是力平衡法;在理想状态下,利用能量法和力平衡法建立的理想状态下静态模型的结论是相同的;最大编织角由气动人工肌肉的结构和工作机理决定;当考虑了端部约束时,气动人工肌肉输出力会减小,此结论由能量法和力平衡法都可得到证明.本研究对气动人工肌肉精确建模有一定的指导意义.     

五指仿人灵巧手运动学与动力学模型

对气动人工肌肉驱动的五指仿人灵巧手进行了运动学及动力学分析. 在Matlab上进行了仿真计算,建立了灵巧手的运动学模型并求得其解析解;同时用Newton-Euler方法对灵巧手进行了逆动力学分析,得出了灵巧手的动力学方程.通过基于灵巧手动力学模型和气动人工肌肉静态模型的主从控制实验,结果表明,可以通过数据手套采集关节的角度变化信息控制灵巧手完成抓取物体的动作.     

气动人工肌肉驱动球面并联机器人的位置控制研究

研究将气动人工肌肉驱动器应用于柔索驱动三自由度球面并联机器人机构,介绍了该机器人的运动学模型,提出一种简便的轨迹规划方法,在建立的实验测控系统中,应用含并联机器人的位置逆解和对气动人工肌肉的智能PID控制的位置控制算法,实现对机器人末端的位置控制,通过机器人的位置正解验证了位置控制的控制效果.     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

气动肌肉驱动仿青蛙游动机器人结构设计

仿青蛙游动机器人是仿生机器人领域内新的研究点.通过对生物青蛙机理分析,提出了拮抗式关节驱动模式,利用气动人工肌肉作为驱动器,可以很好地模拟生物肌肉的特点.建立了仿青蛙游动机器人的躯干、大腿、小腿和足部的结构模型,采用了层叠式腿部空间配置方式进行了虚拟装配.通过对机器人运动学分析以及Adams仿真验证了结构设计的合理性,为研究和验证仿青蛙游动机器人其他关键问题提供了样机基础.     

大迎角非定常气动参数辨识研究

针对现有模型在非定常气动参数辨识中存在的局限性,该文对大迎角机动过程非定常气动特性进行了研究,提出了一种建模方法。该方法结合物理机理,以广义气动导数模型为基础,受到Wiener模型建模思想的启发,建立了动态特性和静态特性分解的模块化级联模型。通过平方相关系数评价各模型项对非定常特性的贡献,确定最终模型结构,并给出了参数估计中相关的数据处理方法。用类F-22模型的风洞试验数据验证了提出的辨识方法,结果表明:模型辨识精度高,相对误差可控制在5%以内,可以有效地描述工程中非定常气动参数。     

气动人工肌肉驱动关节PID位置控制

气动人工肌肉是一种由气压驱动的收缩型气动执行器,由气动人工肌肉驱动的人工关节具有重量轻、柔顺性好等特点.由于人工肌肉存在着明显的非线性、滞环大等缺点,对其位置控制有一定的难度,必须采取适当的控制策略才能得到较高的控制精度.本文介绍了一种以人工肌肉驱动关节为控制对象的位置控制系统,通过PID控制算法实现位置闭环控制.实验结果验证了控制策略的有效性,为气动人工肌肉驱动关节的应用打下基础.     

气动人工肌肉位置控制策略

针对气动人工肌肉位置控制系统,提出了两层滑模的变结构鲁棒控制策略,控制器的推导基于李亚普诺夫稳定性理论.实验表明所设计的气动人工肌肉位置控制系统稳态控制精度可达到±0.2 mm,在负载质量和气源压力改变的情况下,稳态位置控制精度仍可达到±0.3 mm,实验结果证明了所提出方法的有效性和系统的鲁棒性.该研究为气动人工肌肉获得广泛的应用提供了理论依据.