论文摘要
气动产品以其不可替代的独特性能正越来越广泛地应用到社会生活、工业生产等各个领域,而气动人工肌肉作为一种新型的气动驱动器,在性能和结构上具有类似于生物肌肉的良好特性,正引起广泛的关注,可以预见其在理疗、仿生等领域将具有极为良好的应用前景。本文以气动人工肌肉为应用对象,基于理论模型并通过实验研究建立了气动人工肌肉的静态数学模型,设计了采用气动肌肉驱动的仿人下肢多自由度关节的机械结构,建立了单自由度和两自由度气动人工肌肉关节的数学模型,对系统特性进行了分析,并分别应用滑模变结构鲁棒控制和自适应鲁棒控制等多种算法实现了气动人工肌肉的高精度轨迹跟踪控制。论文分七章进行阐述,主要内容如下:第一章首先叙述了本课题的相关研究背景。介绍了气动人工肌肉的工作原理和发展历程,综述了国内外气动人工肌肉的相关领域研究现状以及发展趋势,阐述了本研究课题的来源及研究意义,最后给出了本文所要进行的主要工作和研究内容。第二章建立了研究课题采用的相关硬件系统。基于人体下肢的生理结构分析,以气动人工肌肉为驱动器设计了多自由度仿人下肢机构,针对移动机器人应用需要,在结构参数上进行了优化;确定了满足控制系统应用要求的相应元件;分别建立了两种完整的控制器设计平台,并进行了初步实验测试了整个系统的可行性。第三章对建立的多自由度仿人腿关节系统进行数学建模。以德国FESTO公司的气动肌腱产品为具体研究对象,测试了某型号气动人工肌肉的相关物理性能,包括其外部橡胶层的弹性模量,等压、等张和等长等多种不同条件下的力学性能,分析了导致静态理论模型与实验结果差距较大的原因,并从控制器设计角度出发,对理论模型进行了参数修正,建立了与实验结果较为吻和的静态数学模型;测试了驱动气动人工肌肉的PWM高速开关阀的流量特性;结合热力学方程以及关节动力学模型,分别建立了单自由度和两自由度气动人工肌肉关节的数学模型;对建立的模型进行了静、动态实验验证,结果表明建立的数学模型与实验结果较为接近;仿真分析了气动人工肌肉关节的动态工作特性以及相关的系统性能影响因素。第四章针对气动人工肌肉关节系统具有强非线性、难以建立精确数学模型的特点,在对其特性分析的基础之上,对气动人工肌肉关节的数学模型进行了简化,设计了基于参考模型的滑模变结构鲁棒控制器。仿真和实验结果表明,变结构控制器对于扰动和外部参数变化具有较好的鲁棒性和稳定性,稳态误差小于0.005 rad,单自由度低频跟踪误差小于0.04 rad,高频跟踪误差小于0.06 rad。两自由度低频跟踪误差小于0.025 rad,高频跟踪误差小于0.06 rad。第五章基于滑模变结构鲁棒控制设计,为了进一步提高控制精度,采用了一种自适应鲁棒控制策略(ARC),综合了自适应控制和鲁棒控制策略,在保证闭环系统稳定的同时,通过对模型参数进行自适应调整,进一步减小了轨迹跟踪误差,提高了系统性能。实验结果表明,ARC控制器的稳态误差小于0.003 rad,单自由度关节的低频跟踪误差小于0.01 rad,高频跟踪误差小于0.05 rad。两自由度低频误差小于0.015 rad,高频跟踪误差小于0.03 rad。第六章从实际应用角度出发,为了降低应用成本,采用了仅需要位置反馈信号的饱和自适应鲁棒控制器(SARC),仍然在鲁棒控制的基础之上,通过结合参数自适应律提高控制精度,由于不需要压力反馈,极大地提高了控制系统的实用性。实验结果表明,SARC控制器在控制单自由度气动人工肌肉关节时,低频连续轨迹跟踪误差小于0.01 rad,高频跟踪误差小于0.03 rad,控制两自由度关节跟踪低频连续轨迹误差小于0.025 rad,高频跟踪误差小于0.03 rad。第七章对全文作了总结,阐述了本课题的研究成果和结论,并对后续研究工作做出了展望。
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