气动人工肌肉驱动仿人肘关节的设计与控制

论文摘要

随着仿生学和机器人学的不断发展,仿人机械手已被广泛应用于医疗、服务及娱乐等多个领域中,目前对于仿人机械手的研究也在不断地深化发展。气动人工肌肉作为一种新型的驱动器,适合驱动仿人机械手,从而减轻仿人机械手的重量和成本,增加其柔顺性、灵活性。本文以气动人工肌肉和其驱动的肘关节为研究对象,建立了气动人工肌肉的静态和动态数学模型,并将气动人工肌肉应用于仿人肘关节的驱动上,进一步针对气动人工肌肉驱动的肘关节,结合模糊控制和PID控制,提出了模糊PID控制,并利用MATLAB的SIMULINK工具箱,对系统的控制算法进行仿真。第一,回顾了气动人工肌肉的发展历史,总结了气动人工肌肉国内外主要的研究现况,建立了气动人工肌肉比较完整的静态和动态数学模型。第二,介绍了气动人工肌肉在仿人机械手臂中的各种安装方式以及各种方式的优缺点；并在此基础上,提出了仿人肘关节的设计方案,设计了采用PLC、气动高速开关阀和角度传感器等组成的仿人肘关节气动系统与控制系统。最后,以所设计的仿人肘关节气动系统与控制系统为对象,建立了仿人肘关节动力学模型；运用Matlab软件中Simulink模块库、Fuzzy工具箱,进行了肘关节PID控制系统和模糊PID控制系统的建模与性能仿真,仿真结果表明,与传统PID控制相比较,模糊PID控制比常规PID控制改善了系统动态性能,响应快速。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 气动人工肌肉简介
• 1.2.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 第二章 肘关节的设计
• 2.1 气动人工肌肉建模
• 2.2 机械手臂肘关节设计
• 2.3 气动人工肌肉选型
• 2.3.1 基于气动人工肌肉关节的数学模型
• 2.3.2 气动人工肌肉参数的选择
• 2.4 本章小结
• 第三章 肘关节气动及控制系统设计
• 3.1 引言
• 3.2 气动回路原理及设计
• 3.2.1 气动回路的工作原理
• 3.2.2 气动高速开关阀的选型
• 3.3 控制系统设计
• 3.3.1 控制系统工作原理
• 3.3.2 控制元器件选型
• 3.4 本章小结
• 第四章 肘关节控制系统建模与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 肘关节控制系统建模
• 4.2.1 气动人工肌肉动力学模型
• 4.2.2 气动高速开关阀数学模型
• 4.2.3 肘关节动力学模型
• 4.3 肘关节控制模型与PID控制仿真
• 4.3.1 PID控制方法介绍
• 4.3.2 PID控制模型的建立及仿真
• 4.4 肘关节模糊PID控制系统设计与仿真
• 4.4.1 模糊PID控制原理
• 4.4.2 模糊控制算法的确立
• 4.4.3 系统结构仿真框图的建立及仿真
• 4.5 本章小节
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢