气动肌肉机械手臂机构设计与控制方法实现

论文摘要

随着机器人技术的发展,人们希望新型的机器人手臂具有精度高、响应快、承载能力大等特点,同时也希望具有良好的柔顺性,以获得更好的安全性和自恢复能力。气动肌肉就是在这样的背景下引起了研究学者们的重视。气动肌肉是一种新型的气动执行元件,具有结构简单、功率/自重比大、柔顺性好以及和生物肌肉特性接近等优点,使其在仿生机器人、仿生医学、服务机器人等领域拥有广阔的应用前景。本文以气动肌肉为驱动装置,设计开发了具有三个关节的机械手臂,为气动肌肉应用在仿人手臂领域做出了新的尝试。本文的主要工作有:在手臂机械系统设计方面,设计手臂包含三个关节,分别为肩关节、肘关节和腕关节,每个关节实现两个自由度的运动。其中肩关节的每个自由度分解为两部分执行机构分别完成,肘关节和腕关节则采用十字轴的形式实现两自由度运动。模块化的设计方式使机械手臂的结构紧凑,便于安装和调试。基于虚功原理建立了气动肌肉的基本静态模型,在分析了影响模型精度的各种因素的基础上,提出了对气动肌肉的最大收缩率进行修正的改进模型的方法,并给出了气动肌肉的改进模型。通过实验验证了这种改进方法的正确性和可行性。在气动肌肉静态模型的基础上,推导了气动肌肉驱动关节的理论模型,得到了关节转角θ和气动肌肉输入压力差ΔP成线性关系的结论。当关节转矩一定时,两者成正比关系。实验结果验证了关节模型的合理性、有效性。搭建了气动肌肉机械手臂系统的整体实验平台,对手臂的整体性能进行测试。并以手臂末端关节为例分析了气动肌肉关节的动态响应特性。实验证明气动肌肉关节的动态响应特性良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.1.1 课题目的及意义
• 1.1.2 气动肌肉的发展及应用
• 1.2 气动肌肉的国内外研究现状
• 1.2.1 气动肌肉数学模型的研究
• 1.2.2 气动肌肉的控制方法研究
• 1.3 论文主要内容
• 第二章 气动肌肉机械手臂机械系统设计
• 2.1 人体手臂生理结构及运动机理
• 2.2 气动肌肉机械手臂的设计要求
• 2.3 气动肌肉机械手臂的基本结构
• 2.3.1 气动肌肉的选型
• 2.3.2 结构参数计算
• 2.4 气动肌肉机械手臂的基本组成
• 2.4.1 肩关节设计
• 2.4.2 肘关节设计
• 2.4.3 腕关节设计
• 2.5 本章小结
• 第三章 气动肌肉驱动关节的静态特性研究
• 3.1 气动肌肉的数学模型和静态特性分析
• 3.1.1 气动肌肉的结构和工作原理
• 3.1.2 气动肌肉的基本数学模型
• 3.1.3 气动肌肉静态特性的测试与分析
• 3.1.4 气动肌肉的改进模型
• 3.2 气动肌肉驱动关节的数学模型和静态特性分析
• 3.2.1 气动肌肉驱动关节的工作原理
• 3.2.2 气动肌肉驱动关节的数学模型
• 3.3 气动肌肉驱动关节静态特性的测试与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 气动肌肉机械手臂控制系统的设计
• 4.1 气动肌肉机械手臂的气路系统设计
• 4.2 气动肌肉机械手臂的硬件控制系统组成
• 4.2.1 数据采集卡
• 4.2.2 气动阀
• 4.2.2 传感器
• 4.3 气动肌肉机械手臂的软件控制系统组成
• 4.4 本章小结
• 第五章 气动肌肉机械手臂的实验测试与分析
• 5.1 实验原理
• 5.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果