气动人工肌肉驱动的机器人控制方法研究现状概述

随着机器人技术的飞速发展,传统执行器(如电机、液压驱动等)结构繁冗、体积庞大,越来越难以满足新一代智能机器人对轻质化与柔顺性的需求,具有更高柔顺性、更强安全性的气动人工肌肉日益受到广大学者的关注.气动人工肌肉结构简单、材料轻便、生物适应性好,在医疗康复、航空航天、水下作业、抢险救灾等领域均具有良好的适应性,可方便地用于驱动机器人完成多项复杂任务.然而,气动人工肌肉与生俱来的迟滞、高度非线性、蠕变等特性,为其驱动的柔性机器人精准智能控制带来了挑战.鉴于此,首先对气动人工肌肉的工作原理、优势缺陷、建模与应用现状等进行简要介绍;然后基于气动肌肉的主流模型,对近年来单、多气动人工肌肉驱动的机器人运动控制方法研究现状与最新进展进行重点阐述;最后根据当今研究现状与尚未解决的难题,简要分析气动人工肌肉驱动的机器人未来发展趋势.     

基于气动人工肌肉的双足机器人关节设计

介绍了一种由气动人工肌肉构建的双足机器人关节,该关节利用气动人工肌肉的柔性特性,可以有效控制双足机器人快速行走或跑步时的落地脚冲击问题。详细给出了气动人工肌肉的工作原理以及由其构成的关节系统的硬件架构。同时介绍了基于此硬件关节搭建的控制软件系统。     

气动肌肉驱动的柔顺机器人操作手的设计和实现

以气动肌肉为主要驱动器,设计了一个柔顺机器人操作手,在腕部和手部两个不同的关节,使用了两种不同型号的气动肌肉,分别采取了两种不同的传动方式．给出了腕部俯仰关节的位置控制策略．建立了手指的静力学模型,以此为基础,分析了气动肌肉的输入压力与指端夹持力的关系．实验结果表明,该机器人操作手可实现对物体安全、柔顺的抓取操作．     

呼吸参数监测机器人系统的气压伺服控制

本文研究了机器人移动状态的气压伺服控制,通过对人工筋驱动器进行压力控制实现机器人单步移动时的准位置伺服控制,研究了以气动人工筋驱动器和钳位气囊为控制对象的控制系统,建立控制阀的流量方程,研究了机器人气压（位置）的伺服控制算法,并进行计算机实验仿真分析和研究。     

气动橡皮驱动器——人工肌肉

气动橡皮驱动器的研制应追溯到十四、五年前。当时就曾出现过早稻田大学等的橡皮人工肌肉。但长期由于寿命短而未得到实际应用。三年前日本的普林带斯顿公司利用新型材料研制了一种新型驱动装置,其寿命突破100万次大关,向实用化迈进了一大步。1985年10月该公司开始出售带有这种橡皮驱动装置的工业机器人系统“ACFAS”     

一种新型气动蠕动机器人的机理研究

本文提出了一种新型气动蠕动机器人，分析了它的驱动机理和动态特性，这种蠕动机器人有一个基于气动驱动器的新颖驱动机构和四个吸附足，它结构简单，制造成本低，易于小型化，仿真表明本文的控制策略可行，响应快速，控制可靠，因而这种新型机器人在很多领域有着广泛的应用潜力。     

气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪研究

气动肌肉下肢外骨骼机器人是当下的热门研究话题,对外骨骼理想轨迹进行精确跟踪是研究重点。但是气动肌肉下肢外骨骼运动系统结构复杂,有着很强的非线性,传统的控制方法不适用于这类系统。文章以气动肌肉下肢外骨骼机器人为研究对象,首先对气动肌肉和下肢外骨骼进行了动力学分析;然后采用基于趋近律的滑模控制器来对这一复杂的系统进行控制;最后利用Simulink对气动肌肉下肢外骨骼机器人运动控制仿真。结果表明,基于趋近律的滑模控制器对气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪有很好的控制效果。     

气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制

针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题,建立了一种新的气动人工肌肉等效弹簧模型及关节力和刚度模型,设计了一种双输入双输出滑模控制器,来实现对气动人工肌肉拮抗关节力与刚度的独立控制．最后,搭建了气动人工肌肉驱动的拮抗关节实验平台,在关节位置固定和开放两种状况下进行了实验研究,验证所提方法的有效性;在不同负载情况下进行了对比实验,验证所提方法的通用性．所提出的建模和控制方法综合考虑了仿生关节位置、力和刚度相对独立控制,在机器人与人或环境互相作用的场合有很好的应用前景．     

对气动肌肉驱动器快速准确定位控制的研究

针对气动人工肌肉(PAM)驱动器,将机器人受驱关节的转角位置误差、位置误差变化速率和负载变化等,作为控制器的内环反馈量,建立了一种能自适应调节比倒压力阀输入控制量大小的算法,模拟人类手臂两点间的运动特点,同时通过外环反馈的角位置,控制电磁开关阀的开合,使受控关节能快捷、稳定和准确地定位于目标位置,解决了由于气体的可压缩...     

仿青蛙游动机器人机构设计

为研制仿青蛙游动机器人,设计了游动机器人机构.首先通过分析生物青蛙结构,设计仿青蛙机器人的原理样机.选择气动肌肉作为驱动器,分别驱动髋、膝、踝关节的转动,并采用钢丝传动结构,将膝关节气动肌肉安装在躯干上,从而有效减小了腿部的质量.建立了机器人系统的运动学模型并进行机器人运动学分析.分析了青蛙游动过程中的水下受力,并将水的作用力引入ADAMS仿真环境中,模拟了青蛙游动中的水环境,从而进行动力学仿真分析.最后对所研制出的仿青蛙游动机器人进行水下游动实验,其推进阶段平均速度达到339 mm/s.通过对比分析发现在动力学仿真和样机实验两种不同方法下机器人后肢运动形式基本一致,从而验证了仿青蛙游动机器人原理样机设计的可行性.     

气动人工肌肉关节的迭代反馈整定控制及优化

气动人工肌肉关节（PMA）具有低成本、柔顺性和与生物肌肉类似的力学特性等优点，在医疗设备、仿生机器人等领域得到广泛应用.本文针对气动人工肌肉充气变形过程中存在的强非线性、时变性和控制参数难以确定的问题，提出了一种基于迭代反馈整定（IFT）算法的数据驱动优化控制策略，直接基于系统的输入输出数据，定义跟踪性能准则函数并采用Gauss-Newton估计算法实现对PID控制器参数的迭代整定，并通过引入辅助因子获取性能准则函数加权因子的最优值进一步加快了IFT算法的收敛速度.仿真结果表明，该方法相对于Ziegler-Nichols等传统PID参数整定方法可以有效提高控制系统的跟踪性能和鲁棒性.     

SMA驱动的微型平面关节机器人的研究

近年来，利用形状记忆合金（ＳＭＡ）的形状记忆效应原理制作的驱动器已在机器人领域中得到应用，ＳＭＡ驱动器以其重量轻、结构紧凑、易控制等优点，大大推动了微型机器人的发展．本课题使用所研制的推挽式直线位移型和旋转关节型ＳＭＡ驱动器代替传统的伺服驱动系统，研制了一台三自由度（两个旋转自由度和一个直线自由度）且带末端夹持器的微型平面关节机器人．本文将介绍该机器人的结构设计，控制系统及其软件设计．     

气动人工肌肉驱动球面并联机器人关节的力控制研究

分析了具有柔索冗余驱动特点的静力关系，研究了力控制的智能控制算法及策略，在建立的实验样机上达到了良好的力伺服性能．将气动人工肌肉的被动柔顺性与位置控制到力控制过渡的主动柔顺控制策略结合，有效避免了机器人在与环境接触时的碰撞与冲击．     

图解机器人问答100则

[问8]什么是机器人的驱动器?答:驱动器(或系统)是将电能或流体能等转换成机械能的动力装置,它是用来使机器人运动的动力机构,驱动器好比是机器人的心脏。 工业机器人驱动系统按动力源可分为三大类:液压、气动和电动。 液压驱动系统是利用贮存在液体内的势能驱动机器人运动的系统。主要包括:执行机构(如直线位移和旋转式活塞)和分配器(如液压伺服系统)。液压伺服控制是利用伺服阀改变液流截面,与控制信号成     

气动肌肉驱动机器人手臂的H∞跟踪控制方法研究

针对气动肌肉系统存在的参数不确定、外部干扰等问题,提出一种H_∞最优跟踪控制方法,用于控制由气动人工肌肉二头肌/三头肌拮抗驱动的单连杆机器人手臂。利用一种无模型的积分强化学习算法,求解机器人关节最优跟踪问题推导出的哈密顿-雅可比-艾萨克方程。所提算法有效解决了未知参数和外部干扰问题,并且不依赖于精确的系统动力学模型。通过计算仿真验证了所提H_∞跟踪控制器的有效性,并保持了机器人关节受控系统的稳定。仿真实验中,机器人关节实现了大范围的0°～90°的仿人运动,并且在跟踪周期轨迹时具有良好的角度和角速度跟踪性能。     

微小气动机器人的移动控制

根据仿生尺蠖运动机理研制了一种用于人体腔道微创诊查的气动微机器人系统。该机器人系统由前支撑单元、后支撑单元和具有3个气室的橡胶驱动器三部分组成。设计了控制机器人移动的计算机电-气控制系统,通过控制该电-气系统的继电器和高速开关电磁阀来控制机器人系统的钳位气囊和驱动器气室内的气压。通过分析一个运动周期内机器人的运动状态,给出了机器人移动的控制算法,使机器人前、后支撑单元的气囊和驱动器的气室实现有规律的充气、保持及放气3种状态,从而实现有规律的运动。研究结果表明所设计的机器人具有仿生尺蠖移动机理的柔性结构,通过所设计的电-气控制系统可实现机器人的自动移动。     

日本研制具备气动肌肉系统的机器宝宝

现在,日本大阪大学细田实验室(Hosoda Laboratory)的研究人员开发出了两款机器人Pneuborn-7ll和Pneuborn-13,这是两种肌肉—骨骼婴儿机器人系统,使用气动肌肉系统作为驱动。     

串联弹性驱动器设计、建模及在机器人上的应用

相比于传统的刚性驱动器, 串联弹性驱动器(Series elastic actuator, SEA)具有被动柔顺性、阻抗低、抗冲击、力感知等诸多优点, 因而已被广泛应用于各种机器人系统中. 首先根据弹性和阻尼特性将串联弹性驱动器分为弹性型、阻尼型和弹性?阻尼型串联弹性驱动器, 介绍不同类型串联弹性驱动器的优缺点, 并详细概述弹性和阻尼特性的机械实现方式; 然后对各类串联弹性驱动器作为力传感器的建模方法进行介绍; 接着叙述串联弹性驱动器在机器人系统中的主要应用, 如力传感器、安全保护、降低能耗; 最后展望串联弹性驱动器未来的发展方向.     

基于LMD18200组件的直流电机驱动器的设计

设计了基于LMD18200组件的直流电机驱动器，介绍了专用于运动控制的H桥组件LMD18200。该驱动器应用于具有非驱动关节机器人控制系统，取得了良好效果。     

一种微小型蠕动机器人的步态分析

介绍了一种形状记忆合金(SMA)驱动的微型蠕动机器人的结构和工作原理,并对蠕动机器人的直线运动原理和转弯运动原理分别进行了详细的分析和论述。此外,还通过详细的实验对蠕动机器人步距与SMA驱动器电流的关系、蠕动机器人转弯角度与SMA驱动器电流的关系,以及蠕动机器人响应速度与SMA驱动器电流的关系进行了分析,并确定了SMA驱动器的加热电流。