PAM仿生肘关节运动学逆解建模及验证

针对三自由度气动人工肌肉(PAM)仿生肘关节,首先利用伪刚体模型法,建立其运动学逆解数学模型;其次,根据上述模型对机构运动学逆解进行仿真分析;最后,搭建气动肌肉仿生肘关节的仿真系统模型,利用所建运动学逆解模型实现对机构虚拟样机的PID控制。由仿真结果可以看出,在设计工作空间内,三根气动肌肉长度变化连续、平稳,说明机构在运动过程中,具有良好的平滑性;且通过调节PID参数,机构前臂圆盘转角轨迹曲线与期望轨迹曲线基本吻合,从而验证了机构运动学逆解模型的准确性。     

编织型气动人工肌肉迟滞现象建模与应用

气动人工肌肉被广泛应用于柔性机器人、仿生机器人等多种机器人研究领域。但气动肌肉具有很强的非线性与明显的迟滞现象,直接限制了气动肌肉的精确控制。针对气动肌肉动力学建模问题,建立包含理想项与非线性迟滞项的完整气肌模型。通过仿真分析证明加入滞回模型后气肌的精度得到了提升：去程时精度提高了10%,回程时精度提高了33%。进一步,将该模型应用于机器人力控制关节上。通过曲面轨迹跟踪试验证明力控制精度从±15 N提升到了±5 N,同时将回程段控制精度提高了40%,并有效解决了力控制关节回程输出力不准确的问题。为进一步提高机器人柔性加工和装配领域的力控制精度提供了理论依据。     

McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势

鉴于气动人工肌肉固有的结构特点导致其在运动过程中产生迟滞和蠕变等非线性现象,给其精确控制带来了极大的困难,而现有的气动人工肌肉的迟滞理论建模和控制策略尚存在诸多缺陷,阐述了气动人工肌肉运动过程中产生的一系列非线性现象及其原因,从气动人工肌肉静/动态特性建模、迟滞特性建模及控制策略等方面综述和分析其现有研究进展与成果。根据气动人工肌肉结构、迟滞建模和控制策略的发展趋势,给出了气动人工肌肉需要深入研究的方向和解决这些关键问题的途径。     

气动肌肉及其构成的关节模型研究

气动肌肉是一种具有重量轻、功率—重量比高的新型气动柔性执行器。用变刚度弹簧模型来近似气动肌肉的特性 ,研究了气动肌肉的刚度特性 ,并分析了由一对气动肌肉构成的关节模型 ,最后通过实验对模型进行了验证。     

气动肌内及其构成的关节模型研究

气动肌肉是一种具有重量轻、功率-重量比高的新型气动柔性执行器。用变刚度弹簧模型来近似气动肌肉的特性，研究了气动肌肉的刚度特性，并分析了由一对气动肌肉构成的关节模型，最后通过实验对模型进行了验证。     

基于压电驱动器的Stewart微动平台迟滞补偿和解耦控制研究

针对基于压电驱动器驱动的Stewart微动平台同时存在强耦合性和迟滞特性的问题,对Stewart微动平台的耦合特性和迟滞特性进行了研究。对耦合特性与迟滞特性的特点进行了归纳,提出了一种基于迟滞补偿和输入端解耦的控制方式,建立了数学模型,并设计了控制器;先通过旋转变换矩阵进行了位姿反解,得出了Stewart平台各支腿长度;再在系统动力学模型的基础上,通过在输入端引入动力学逆模型的方法,对系统进行了输入端解耦,采用Bouc-Wen模型来描述压电驱动器的迟滞特性,并用逆模型方法对迟滞特性进行了补偿;最后设计了控制器,并通过仿真验证了定点运动和连续运动两种方式的有效性。研究结果表明:该控制方式能同时对压电驱动器驱动的Stewart平台进行迟滞补偿和解耦控制,响应速度快、稳定性好。     

基于KP模型的气动肌肉迟滞建模方法

为了辨识气动肌肉运动过程中的迟滞非线性特性，在气动肌肉位移/气压迟滞特性实验的基础上，分别采用KP模型和多项式模型对其位移/气压迟滞展开了建模研究，并采用递推最小二乘法分别对两种模型中的未知参数进行了辨识，研究不同算子个数和多项式次数对模型建模精度的影响。参数辨识结果发现，KP模型拟合精度明显优于多项式模型，随着算子个数的增加，KP模型的精度显著提高，多项式模型的建模精度也随着多项式次数的增加而提高。     

编织型气动肌肉动力学建模仿真与性能测试

使用具有被动柔顺性的驱动器,可以提高工作效率,降低在工业操作中因碰撞而产生对人的危害程度。气动肌肉作为一种气压型驱动器,具有功率质量比高和被动柔顺性等优点。文中为了研究气动肌肉的动态模型,设计了一款编织型气动肌肉,并对其动态特性进行分析与验证。根据成熟的气缸理论,将气动肌肉视为变截面汽缸,建立编织型气动肌肉的动态模型。再通过对动态模型的仿真与分析,搭建气动肌肉实物,验证动态模型正确性。对自制编织型气动肌肉的刚度和功率质量比进行分析,试验表明了与Festo同类产品(DMSP/MAS-10)相比,自制的编织型气动肌肉功率质量比更高,动力性能更好。     

基于气动人工肌肉的六自由度运动平台

实现六自由度机构准确、稳定运动控制的关键在于执行元件的控制特性以及动力学模型的准确表达。在分析一般六自由度平台特性的基础上,建立了气动人工肌肉双三角六自由度并联运动平台,运用Matlab进行运动学分析,生成机构运动空间。对所建模型进行运动模拟,根据仿真计算数据得到气动人工肌肉的运动特性,进而提出控制方法。     

带有迟滞非线性的气动运动模拟平台自抗扰轨迹跟踪控制

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测器来估计和补偿模型非线性,分别对于气动人工肌肉正反向充放气的不同模型采用不同的观测器增益,以提高状态估计效果,减小跟踪误差。进一步,设计了状态误差反馈控制器,得到了基于切换扩张状态观测器的二阶非线性动态系统全局有界稳定的充分条件。最后实验结果证实了所设计的切换扩张状态观测器的实际效果。     

超磁致驱动器迟滞系统逆模补偿控制

设计了超磁致驱动器和实验系统。针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题，对迟滞系统进行了可逆性分析后，采用BP神经网络对超磁致驱动器的迟滞特性建立了逆模型。分别进行了有逆模前馈的开环控制、传统PID控制和PID加逆模前馈的闭环控制来补偿迟滞特性。实验结果表明，逆模前馈补偿器有效地减小了系统的非线性误差，提高了执行器的控制精度。     

气动比例阀摩擦力补偿机制及实验研究

探讨了比例阀摩擦力的产生机制,对气动比例系统叠加高频低幅颤振信号的摩擦力补偿机制进行了研究,并基于软件VC ,LabVIEW和MATLAB开发出摩擦力颤振补偿器。实验结果表明,通过在控制信号上叠加高频低幅的颤振信号,可以有效地克服系统的摩擦力,消除爬行现象,缩短滞后时间,提高系统的轨迹跟踪精度;颤振信号的频率和幅值对系统的轨迹跟踪精度的影响比较明显,而系统的滞后时间主要受颤振信号幅值影响。     

超磁致伸缩执行器磁滞非线性建模与控制

针对超磁致伸缩执行器的磁滞非线性问题,应用Priesach理论模型建立了执行器的磁滞模型,并根据其逆模型设计了前馈补偿器,同时设计了磁滞模型的自适应算法和动态调整前馈补偿器的参数,最终实现对执行器磁滞非线性进行补偿和控制。仿真和试验结果表明该模型能够很好的描述执行器的磁滞非线性,采用自适应算法有效地改善了执行器输出位移的磁滞非线性,减小了系统的非线性误差,提高了执行器的控制精度。     

McKibben型气动肌肉模型改进与性能测试

提出一种改进的编织网气动肌肉静态模型,据此制备编织网气动肌肉。首先通过信赖域算法优化模型与实验的最小二乘误差,求解模型中的经验系数;然后分析初始编织角和橡胶管壁厚两个主要结构参数对编织网气动肌肉性能的影响;最后根据分析结果, 优化了结构参数,设计了端部结构,自制编织网气动肌肉。改进的静态模型仿真结果与实验结果一致,证明改进的静态模型提高了精度。对照实验表明,自制的编织网气动肌肉总体性能明显提高,进一步证明了改进静态模型对提高自制编织网气动肌肉工作性能的有效性。     

客车制动系统动态模型研究及试验验证#br#

针对客车气制动系统动态响应研究不足的问题,运用计算机仿真建模技术,建立了制动系统关键部件全参数仿真模型。其关键部件包含制动阀、继动阀、膜片制动气室、气压管路。在数学推导的基础之上,引入了AMESim多领域仿真建模软件,避免了复杂的多变量、非线性的数学关系推导,模型可用于客车气制动系统多参数仿真模拟与设计。为验证模型的准确性,设计了一套整车制动模拟试验台,对气制动系统动态响应和各零件响应输出协调性进行试验验证。仿真结果与试验结果对比表明两者相吻合,并分析得出了气制动系统响应迟滞的主要因素为制动气室的橡胶膜片形变引起,为气压制动系统性能研究及匹配性分析奠定了基础。     

Non-linear compensation and displacement control of the bias-rate-dependent hysteresis of a magnetostrictive actuator

Magnetostrictive actuators invariably exhibit bias-rate-dependent hysteresis, which could cause vibration and error in the micro-positioning control. We present a methodology for linearization control for the hysteresis of a magnetostrictive actuator with a wide range of input rates and biases. The hysteresis compensation is attained through application of a dynamic Bouc-Wen model and experimental measured hysteresis properties of the magnetostrictive actuator under inputs with different frequencies and biases. The effectiveness of the compensator for hysteresis is demonstrated through experimental results of the magnetostrictive actuator under inputs at different frequencies and bias levels. Based on the proposed compensator, a displacement PID controller is applied to force the output displacement of the magnetostrictive actuator to track the desired displacement accurately thereafter. The maximum absolute tracking errors is 0.052 μm. Compared to the control results without the compensator, the compensator can reduce the control error by about 85%. The results indicate that this study provides an effective method which can compensate the hysteresis of the magnetostrictive actuator under different frequencies and biases of inputs.     

Controller design for high-frequency cutting using a piezo-driven microstage

Controller design consists of a feedforward and a feedback controller to support a microstage with flexure hinge structure driven by piezoelectric ceramic actuator for high-frequency nanoscale cutting is developed in this article. The feedforward controller is designed based on a hysteresis dynamic model in order to reduce the nonlinear hysteresis effect of piezoelectric actuator. The position feedback controller is designed based upon an exponentially weighted moving average (EWMA) method embedded in an internal model control (IMC) structure constructing a run-to-run IMC (RtR-IMC) control scheme in order to deal with system bias or modeling inaccuracy. Also, disturbance due to temperature rise will influence actuator's performance, hence an additional compensator is included in the IMC structure. Surfaces dimple micro-machining utilizes piezoelectric-driven microstage for high-speed cutting is selected as an example to investigate system performance. The developed control algorithm is implemented on a DSP-based system to provide 1 kHz operating speed. In experiment, the proposed feedforward and feedback controller is verified to be able to overcome those negative factors efficiently and preserve good positioning accuracy.     

基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节设计与控制

关节是仿生机器人机械系统的基本组成元素。在面向环境交互的仿生机器人系统中,关节的质量、体积以及功/重比直接影响系统的工作性能。与传统的电气、液压驱动方式相比,采用气动肌腱的驱动方式具有质量小、体积小和高功/重比等优势,具有广阔的应用前景。从功能仿生角度出发,在分析人体肘关节骨骼结构特点和肌肉发力方式的基础上,设计一种基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节。建立单根肌腱的数学模型,通过搭建气动肌腱工作特性试验平台对肌腱进行性能测试,采用最小二乘法对模型参数进行辨识。针对拮抗式仿生关节的构型进行运动学和动力学分析,提出基于肌腱模型的偏置输入气压控制方法,设计基于关节估计阻尼的扰动观测器对名义模型进行补偿,通过数值仿真对控制方法进行有效性验证。建立仿生关节运动控制试验系统,通过单关节轨迹跟踪试验验证了肌腱理论模型的正确性及控制策略的有效性。     

气动人工肌肉驱动器的动态跟随控制研究

研究了气动人工肌肉驱动器的动态位置跟随控制技术,构建了控制实验系统,设计了控制系统软件,并运用BP神经网络PID控制算法对其进行实验控制研究。实验结果表明,能够较好地实现气动人工肌肉驱动器的位置定位控制和动态跟随控制。