气动肌肉驱动机器人手臂的设计与控制研究

论文摘要

气动肌肉驱动的机器人手臂是一类具有良好柔顺性能的机器人手臂，在很多应用领域具有突出的优势。在气动肌肉驱动的机器人手臂系统中，关节刚度调节、位置控制及手爪的柔顺夹持是其中最为重要的关键技术问题。本文以气动肌肉驱动的机器人手臂(含手爪)系统为背景，对以上的关键技术进行了系统的研究，并设计了一套实验系统对研究结果进行了详细的验证。本文的主要工作如下： 在机器人手臂系统设计方面，进行了详细的方案设计和系统软硬件调试，确定了手腕俯仰关节和手指关节分别采用两种不同规格气动肌肉进行驱动的方案，该系统由前臂、手腕、手爪三个部分组成。 在关节刚度调节方面，重点对气动肌肉的驱动模型和气动肌肉驱动关节的刚度特性进行深入研究。首先分析了气动肌肉的基本模型，在理论分析的基础上，提出利用收缩率参量修正来补偿多种误差的方法，并给出了气动肌肉的改进模型；然后利用气动肌肉的改进模型对关节的输出转矩进行了详细推导；最后给出关节刚度的详细表达式，并提出了一种利用简单、有效的比例刚度调节方法。实验结果验证了气动肌肉的改进模型和上述关节刚度调节方法的合理性、有效性。 在关节位置控制方面，进行了如下几个方面的工作：首先理论分析和实验证明了PID控制器的可行性和有效性，但关节的响应时间太慢不能满足整个机器人轨迹规划的需要，因此提出采用具有自适应、自学习功能的单神经元自适应PSD控制器来改善关节的控制性能，该控制器可以同时实现对增益、比例、积分和微分四个参量的自适应调整，实验证明该控制器使气动肌肉驱动的关节具有响应时间短、位置精度高、鲁棒性好等显著优点。 在手爪的柔顺夹持控制方面，进行了以下几个方面的工作：设计了由四根气动肌肉驱动的仿人两指手爪结构；建立了气动肌肉驱动手指夹持力的理论模型；分析了肌肉初始输入压力和初始收缩率对手指张开范围和夹持力的影响。分析结果表明，手指内外侧肌肉的输入压力是决定手指夹持力的重要因素。此外，还对手指运动过程的动静态特性和夹持力进行了系统的测试。实验表明，该气动肌肉驱动的手爪可以实现对多类物品的柔顺抓取。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 人工肌肉驱动器在机器人手臂中的研究状况
• 1.3 气动肌肉在机器人手臂中的研究状况
• 1.3.1 气动肌肉的发展历史和驱动特点
• 1.3.2 气动肌肉驱动机器人手臂的应用实例
• 1.3.3 气动肌肉驱动特性的研究状况
• 1.3.4 气动肌肉驱动系统控制方法的研究状况
• 1.3.5 存在的问题
• 1.4 本文主要内容
• 2 气动肌肉驱动机器人手臂系统的总体设计
• 2.1 引言
• 2.2 手臂系统的设计要求与基本组成
• 2.3 手臂机械系统的设计方案
• 2.3.1 手臂驱动系统的分析与选择
• 2.3.2 手臂基本结构的分析与设计
• 2.4 手臂控制系统的设计方案
• 2.4.1 手臂硬件控制系统的实现
• 2.4.2 手臂软件控制系统的实现
• 2.5 小结
• 3 气动肌肉驱动关节的刚度调节研究
• 3.1 引言
• 3.2 气动肌肉的模型与特性研究
• 3.2.1 气动肌肉的驱动原理
• 3.2.2 气动肌肉的基本模型
• 3.2.3 气动肌肉驱动特性的测试与分析
• 3.2.4 气动肌肉的改进模型
• 3.3 气动肌肉驱动关节的刚度特性分析与测试
• 3.3.1 气动肌肉驱动关节的工作原理
• 3.3.2 气动肌肉驱动关节的刚度特性
• 3.3.3 测试与结果分析
• 3.4 小结
• 4 气动肌肉驱动关节的位置控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 关节的 PID控制方法
• 4.2.1 关节的开环响应特性
• 4.2.2 关节的 PID控制方法
• 4.2.3 实验与结果分析
• 4.3 单神经元自适应 PID控制策略
• 4.3.1 单神经元自适应 PID的控制算法
• 4.3.2 单神经元自适应 PID的参数学习算法
• 4.3.3 实验与结果分析
• 4.4 单神经元自适应 PSD控制策略
• 4.4.1 单神经元自适应 PSD的控制算法
• 4.4.2 单神经元自适应 PSD的增益学习算法
• 4.4.3 实验与结果分析
• 4.5 小结
• 5 气动肌肉驱动柔顺手爪的研究
• 5.1 引言
• 5.2 手爪的功能需求与设计分析
• 5.2.1 功能需求
• 5.2.2 手爪的设计分析
• 5.3 气动肌肉驱动柔顺手爪的结构设计
• 5.3.1 手指结构
• 5.3.2 手掌结构
• 5.4 手爪的工作原理与夹持力分析
• 5.4.1 工作原理
• 5.4.2 手爪的夹持力分析
• 5.5 实验与结果分析
• 5.5.1 手指闭合特性测试
• 5.5.2 手指夹持力测试
• 5.6 小结
• 6 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文