气动人工肌肉驱动关节PID位置控制研究

气动人工肌肉是一种具有柔顺性的新型驱动器。文章在对人工肌肉及其驱动关节进行实验研究及建模的基础上，采用PID方法对人工肌肉驱动的关节进行了位置控制的研究，取得了较为理想的控制效果。     

气动人工肌肉驱动关节特性研究

气动人工肌肉是一种具有良好柔性、出力/重量比大的新型气动执行器。该文研究了由一对气动人工肌肉的组成的关节模型，分析了它的静特性，并进行了实验研究。实验结果表明气动肌肉关节具有一些独特的特性。     

气动恒力控制系统的自抗扰控制

针对磨削和抛光等对恒力控制装置的迫切需求,开展气动恒力控制系统研究。由于气动系统存在比例流量阀死区、气缸摩擦力以及气体可压缩等非线性问题,提出了一种二阶线性PID自抗扰控制器,并加入了死区补偿器。该控制器采用跟踪微分器对输入信号进行过渡,利用扩张状态观测器对非线性参数影响进行估计,并通过线性PID反馈控制律进行补偿,同时引入死区补偿器快速跳过死区范围。试验结果表明,相比传统PID控制和积分型线性自抗扰控制(I-LADRC),线性PID自抗扰控制具有更好的动态响应以及更强的鲁棒性,并且稳态误差小于2 N。     

气动柔顺末端打磨自抗扰力控制

为解决机器人打磨风电叶片过程中由于理想打磨轨迹和实际打磨轨迹有偏差导致打磨质量差的问题,文中设计了一种安装在机械臂末端的气动柔顺末端执行器,气动柔顺末端控制器控制工件的打磨力,机器人控制器控制打磨末端位姿。由于气动柔顺末端力控制过程中存在强非线性、模型不精确及参数摄动、机器人运动、打磨小车振动等不确定性扰动,在气动柔顺末端建模的基础上设计线性扩张状态观测器、跟踪微分器,提出了自抗扰(ADRC)打磨力控制律。仿真和试验结果表明：该方法有效减小了磨削过程中力的波动,提高了风电叶片表面质量,更好地避免了磨削烧伤,具有抗干扰性强、稳定性强及效率高等特点。     

气动肌肉驱动仿人臂的设计

设计了一个由气动肌肉驱动的仿人臂，该臂具有4个自由度，肩部采用虎克铰形式。其具有重量轻、控制容易及柔顺性好等优点。初步试验表明，该仿人臂能够基本实现人类关节的柔顺运动。     

双连杆机械臂的改进自抗扰控制器设计

针对机器人双连杆机械臂非线性耦合系统,结合自抗扰技术可对两个关节分别设计自抗扰控制器,通过构造qin函数实现连续光滑扩展状态观测器的设计,适当选择自抗扰控制器的控制参数,能实现机械臂的解耦控制及精确轨迹跟踪。仿真结果表明,自抗扰控制器的有效性,为机械臂的轨迹跟踪控制提出新的思路。     

气动人工肌肉上肢仿生关节设计

气动系统以其具有结构简单、无污染、维修方便等优点,得到越来越广泛的应用。基于人体的拮抗肌对拉驱动原理,利用气动人工肌肉(PAM)驱动器,设计了三自由度(3-DOF)的仿生关节。在Adams环境下建立关节模型虚拟样机,并对其进行了运动仿真。仿真结果表明,该仿生关节结构运动曲线平滑、运动平稳、柔顺性好,满足设计要求。除此之外,对加工出的原理样机进行了可行性实验验证,绕X轴的旋转实验表明:a.当充气压力越大,前臂平台转角速度越快,b.当充气压力在0.2 MPa及以上时前臂平台转角达到所需角度。绕Z轴的转角实验表明,前臂圆盘的转角范围为可达所需角度,验证了机构的可行性。     

机械臂气动关节柔性抓取操控

针对机械臂不便于从物件上方直接进行抓取的情况,提出一种机械臂气动关节柔性抓取操控技术。分析机械臂常规抓取方式,剖析机械臂与物件接触间的几何约束关系,开展物件一边被抬起的受力情况。在此基础上,分析气动关节曲率和内压之间的线性关系,构建控制关节内压的机械臂柔性抓取操控技术。通过实物测试验证,采集物件曲率变化所对应手指内压变化情况,获取不同曲率下抓握平衡所需摩擦系数变化情况,通过手指和地面“相互对抗”,使纸条曲率变大且重心右移,从而成功实现了机械臂柔性抓取柔软物件,达到设计目标要求。     

气动人工肌肉驱动三自由度球面并联机器人关节的位置控制研究

将气动人工肌肉驱动器应用于柔索驱动三自由度球面并联机器人关节，介绍了该机器人关节的运动学模型，提出了一种简便的轨迹规划方法，建立了关节的实验测控系统，应用智能PID算法控制气动人工肌肉的位置从而实现对关节末端的位置控制，在现有的实验条件下，取得了比较满意的控制结果。     

气动肌肉驱动关节的位置控制策略研究

气动肌肉驱动关节具有柔顺性好、容易实现开环控制等优点.但是关节的位置重复精度较差,阶跃响应存在大幅振荡,不利于实际应用.为解决这个问题,对关节的闭环控制方法进行了研究.通过引入前馈控制、输入整形及非线性Pl控制,有效地提高了关节的响应速度和位置精度.     

气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制

针对多输入多输出的气动肌肉并联关节,建立包含任务空间负载动态方程、容腔压力动态方程和高速开关阀平均流量方程的多阶动态系统数学模型。为保证气动肌肉并联关节系统良好动态特性的同时具有高精度的位姿轨迹跟踪,采用基于非连续投影算法的自适应鲁棒控制策略。该策略通过自适应参数估计来消除因气动肌肉并联关节系统动态数学模型的参数未知而引起的较大参数不确定,通过鲁棒反馈来消除因气动肌肉的伸缩力模型误差、摩擦力时变和关节系统的不可知干扰等引起的严重非线性不确定,且控制器基于反推设计,对多输入多输出的多阶耦合动态系统具有很好的适用性。试验结果表明：所研究的气动肌肉并联关节阶跃响应的静态误差小于0.09°,连续轨迹跟踪的标准误差小于0.15°,且具有较强的自适应性和鲁棒性。     

基于气动人工肌肉并联驱动手腕康复训练器

以C8051F310单片机为控制器的核心，制作了结构简单、输出力大、柔顺性好的手腕康复训练器。该康复器能根据患者的康复状况，任意设置动作的速度和强度。文中阐述了该康复器的总体方案设计、工作原理、气动人工肌肉的制作和控制系统的构成。     

电驱动海洋绞车主动升沉补偿自抗扰控制系统

针对电驱动海洋绞车主动升沉补偿系统非线性时变的特点,提出了基于自抗扰控制（ADRC）的电驱动海洋绞车主动升沉补偿控制系统。首先对电驱动海洋绞车系统进行动力学分析,然后建立电驱动海洋绞车数学模型,进而建立主动升沉补偿自抗扰控制系统的仿真模型,并进行仿真分析。在不同海况、不同下放深度、不同缆绳直径和不同重物质量等情况下对该系统进行仿真,并与PID控制器进行比较,结果表明：当海况和电驱动海洋绞车控制系统模型参数发生变化时,控制器参数保持不变的情况下,自抗扰控制器仍然能保持良好的动态性能,比PID控制器具有更快的响应速度、更强的鲁棒性和抗干扰能力。     

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。     

气动人工肌肉

本文介绍了人工肌肉的产生背景,分析了生物肌肉的特性,概述了国内外对人工肌肉的研究状况,并举出了一些利用气动人工从的应用实例。     

轴向主动磁轴承的模糊自抗扰控制

为了实现轴向主动磁轴承的准确和稳定控制,根据模糊控制理论和自抗扰控制(ADRC)理论,设计了轴向主动磁轴承模糊自抗扰控制系统,采用模糊控制器整定ADRC中非线性控制参数,并且给出了其控制算法和控制系统的结构.利用软件Matlab/Simulink对所设计的控制系统进行了仿真研究,仿真结果表明:所设计的轴向主动磁轴承模糊自抗扰控制系统具有响应速度快、超调量小、抗干扰能力强和鲁棒性好等特点.     

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。     

气动肌腱驱动的气-液集成传动装置

介绍了一种气动肌腱驱动的双作用双级气-液集成传动装置的工作原理,给出了其输出流量与输出压力的计算公式.与同类装置相比,该装置结构简单紧凑,技术性能较为完善.