气动肌肉关节的刚度分析及变刚度运动控制

根据人腿髋关节、膝关节骨骼结构及拮抗肌肉运动发力特点,设计一种拮抗气动肌肉驱动的仿生单腿机器人;由三元素模型求单根肌肉及关节摆动下被动刚度特性,分析关节角度/刚度关系;为实现仿生腿膝关节刚度可控的角度控制,建立仿生关节关于角度/刚度的基本气压解算模型;基于计算力矩控制对非线性对象具有高度补偿线性化性,提出含力矩项补偿的改进气压解算模型。搭建仿真及样机实验平台,结果表明,含两种气压解算模型的双闭环控制算法均能较好跟随膝关节角度/刚度,含带力矩项补偿模型的双闭环控制算法对膝关节的角度/刚度控制精度优于含基本模型的双闭环控制算法。该算法适用拮抗气动肌肉关节的类人运动,可满足人机协作时可靠性、柔顺性、仿生性等要求。     

基于Arduino控制的气动软体仿生四足机器人结构设计及步态规划

随着机器人工作范围越来越广泛,运行环境情况也更加复杂,为了解决传统刚性连杆多足机器人对环境适应性不足,设计一种采用柔性材料、基于Arduino平台控制的气动仿生四足机器人。机器人本体采用16根气动人工肌肉进行驱动,单腿配置采用菱形布局的4根气动人工肌肉,模拟生物肌肉驱动通过气动人工肌肉组对以充放气实现的拉伸力摆动四足。通过Arduino编程协调16个开关量的先后顺序改变三位五通电磁阀的工作位来控制四条腿的摆动顺序,从而对机器人进行步态规划,并通过相关实验实现了多种步态动作模式。     

气动肌肉的刚度特性分析

对气动肌肉的静动态刚度进行了理论分析，提出了气动肌肉气压刚度概念并得到了其表达式，探讨了不同因素对气动肌肉刚度的影响，并研究了由气动肌肉驱动关节系统的刚度特点。     

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。     

气动人工肌肉驱动特性实验研究

该文设计了气动人工肌肉驱动特性实验台的计算机辅助测试系统。此实验系统可以对气动人工肌肉的内部气压，张力及其收缩量进行精确的测量与控制，实验表明此实验台操作简单，实验数据准确。利用该实验台，进行了气动人工肌肉驱动特性的实验，分析了人工肌肉3个参数间的关系。     

气动肌肉驱动器的动态刚度和阻尼特性

该文提出采用等效刚度-阻尼的方法建立气动肌肉驱动器的刚度和阻尼模型,根据广义刚度描述方法和阻尼等效原理推导出了动态刚度和等效阻尼系数,并在建立理论模型的基础上研究了气动肌肉驱动器的动态刚度和阻尼特性.研究表明,所建立的等效刚度-阻尼模型能够更好地描述气动肌肉驱动器的机械特性,尤其对于气动肌肉驱动器的输出力控制要求比较高、在动态驱动和气压变化比较大的情况下,必须考虑气动肌肉的阻尼作用.从仿真结果可见,气动肌肉的腔内气压越高,变化越快,阻尼的作用就越明显.     

气动肌纤维驱动仿生机体类生物变刚度特性分析

四足机器人的仿生机体,大多采用刚性或单自由度机体结构,限制了四足机器人的机动性和灵活性。基于四足生物躯体解剖结构及动态弯曲运动机理分析,设计一种气动肌纤维驱动的刚柔耦合仿生机体,可实现变刚度侧向弯曲。根据仿生机体的结构,分析仿生椎间盘、仿生韧带、仿生肌肉等主要组成要素的刚度,提出一种仿生机体的串并联式刚度模型,建立仿生机体的刚度与气动肌纤维输入气压间的关系,探究在不同驱动方式下仿生机体的局部、整体变刚度特性。设计仿生机体的变刚度测试实验平台,分别开展仿生机体的局部、整体动态弯曲试验,分析其主动变刚度特性。实验结果表明,通过改变气动肌纤维的布置及充气压力,能实现仿生机体的动态弯曲,具有类生物的局部或整体变刚度特性。创新研究的仿生机体及驱动方式,为提高四足机器人的机动性提供借鉴。     

仿生跳跃机器人气动串联弹性关节的位置/刚度控制

设计了一种气动人工肌肉驱动的串联弹性关节,基于气动人工肌肉Chou模型,建立了串联弹性关节的动力学模型,推导出关节刚度,获得了关节刚度与肌肉内部气压、弹性体刚度的关系。设计反向传播（back propagation,BP）神经网络整定PID参数的BP-PID控制算法,开展了气动串联弹性关节的位置与刚度控制研究。仿真结果表明BP-PID控制优于PID控制,关节位置跟踪精度由0.58°变为0.10°,关节刚度跟踪精度从0.026 N·m/rad变为0.005 N·m/rad。实验结果表明关节位置跟踪平均误差由0.347°减小到0.117°,关节刚度跟踪平均误差从0.024 N·m/rad减小到0.019 N·m/rad。     

基于气动肌肉的多自由度关节的实验研究

该文设计了一根气动人工肌肉驱动特性实验台的计算机辅助测试系统,通过此实验台得到气动人工肌肉的内部气压和其收缩量之间的变化关系.根据实验得到驱动特性,设计了基于气动人工肌肉的机械手关节和控制系统,并通过实验得到了气动人工肌肉的气压和机械手关节转动角度的曲线关系.     

PAM-Motor复合驱动仿生肩关节结构设计及动力学特性研究

针对仿生机器人关节重载情况下难以实现精确控制的问题,以及气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)控制非线性、时变性、滞后性等特点,受生物关节在肌肉和骨骼的协作下产生运动的启发,提出一种气动人工肌肉和电机复合驱动的新型驱动仿生肩关节结构设计,用于提高仿生机器人肩关节的控制精度及驱动性能。基于Chou模型及能量守恒定理,推导了复合驱动仿生肩关节结构参数与动力学特性之间的映射模型;通过构建基于拉格朗日动力学的PAM-Motor复合驱动系统俯仰运动和侧摆运动的动力学模型,探究了仿生肩关节复合驱动机理。研究结果表明,PAM-Motor复合驱动仿生肩关节具有良好的精度、灵巧度和承载能力,验证了复合驱动仿生肩关节结构的合理性和有效性。     

FORCE FEEDBACK DATAGLOVE BASED ON PNEUMATIC ARTIFICIAL MUSCLES

An exoskeleton force feedback dataglove is developed, which uses the pneumatic artificial muscles as actuators. On the basis of the simplified hand model, the motion equation is deduced according to the theory of Denavit-Hartenberg. The model of the equivalent contact forces exerted by the object on the finger is proposed. By the principle of virtual work, the static equilibrium of finger is established. The force Jacobian matrix of finger is calculated, and then the joint torques of the finger when grasping objects are obtained. The theory and structure of the force feedback datagolve are introduced. Based on the theory of motion stabilization of four-bar linkage, the flexion angles of joints are measured. The torques on finger joints caused by the output forces of pneumatic artificial muscles are calculated. The output forces of pneumatic artificial muscle, whose values are controlled by its inner pressure, can be calculated by the joint torques of the finger when grasping objects. The arms of force, driving torques and the needed output forces of pneumatic muscle are calculated for each joint of the index finger. The criterion of output force of pneumatic muscle is given.     

气压式仿人机器人的腰部设计与运动仿真

提出了一种新型的气压式仿人机器人腰部机构,它具有结构简单和运动稳定的特点。气压式仿人机器人腰部的运动受到手部、头部和腿部等关节力矩的影响。在对机器人进行简化之后,依据高效-欧拉算法,对该仿人机器人进行整体建模,导出腰部俯仰和侧转关节的动力学模型。从动力学上分析,机器人腰部手部和腿部的运动以及外力(矩)等的影响。在Pro/e3.0上建立仿人机器人腰部结构模型,然后导入ADAMS中进行动力学仿真研究,验证了该模型的正确性。     

基于伪刚体模型的腰部训练装置的运动学分析

考虑到康复运动过程中康复患者对康复机器人的作用,康复机器人的设计过程中将康复患者的康复部位作为其一部分进行设计和分析。将腰部考虑成柔性杆,并将其作为气动人工肌肉驱动的腰部训练装置的一部分进行分析。对腰部训练装置进行了结构介绍并分析了腰部在腰部训练装置中的作用,给出了腰部训练装置的运动学模型。对腰部训练装置进行了受力分析,结合腰部训练装置的功能对气动人工肌肉组件进行了设计和受力分析,使用伪刚体模型对腰部进行受力分析,得到了腰部脊柱与康复腰带结合点的受力结果,基于此对腰部训练装置整体进行受力分析,得到腰部训练装置中康复腰带与气动人工肌肉组件之间受力的关系。通过仿真验证了运动学分析和受力分析结果的正确性,并根据腰部训练装置的力学分析及仿真结果,进一步设计并搭建气动人工肌肉和柔索混合驱动并联腰部康复机器人试验平台。     

气/液相变驱动小型气动肌肉执行器实验

气动肌肉执行器重量轻、柔性好,被广泛应用于工业与研究领域。然而,用于驱动该执行器的气动设备使系统的尺寸过于庞大,为解决此问题,提出利用氟碳化合物气/液相变时膨胀做功来驱动气动肌肉执行器,选用金属陶瓷加热器加热氟碳化合物,使用PI控制器控制执行器的内部压力,制作拮抗驱动装置改善执行器作用力的动态特性。结果表明:气/液相变气动肌肉执行器内部产生的压力可以较好地跟踪参考输入信号;与空气驱动方式相比,采用气/液相变驱动时执行器的收缩率呈等值减小趋势;拮抗驱动装置能够改善气/液相变气动肌肉执行器作用力消失过程中的动力学特性。     

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。     

Low-pressure pneumatic muscles: development,phenomenological modeling,and evaluation in assistive applications through sEMG analysis

Compliant actuators have received much attention from researchers over the last two decades. Specifically, pneumatic artificial muscles (PAMs) have been used in several human-in-loop assistive and rehabilitative devices due to their inherent behavior resembling biological muscles. We presented a lucid customizable fabrication process to develop low-pressure actuated PAMs, named pneumatic silicone tube artificial muscles (pSTAMs), and to cater activity-specific actuator requirements. Two constructions of pSTAMs with varying lengths were rigorously experimented at different pressure-load conditions for their isobaric static and stiffness characterizations. Estimation of bandwidth and use of empirical correction factors in the conventional analytical models for quasi-static characterization of pSTAMs were demonstrated. Lumped parameter-based phenomenological model was employed to closely model their dynamic characteristics. A detailed integrated electromyography analysis with surface electromyography signals from the targeted muscle groups was performed to determine the efficacy of using pSTAMs in two activities.

     

柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析

动力手套是一种腕部康复训练装置,同时具有辅助的助力功能。康复训练是手腕进行自主康复的一种重要的辅助治疗手段,传统的康复训练装置大多采用电机驱动的刚性外骨骼结构,在运动时急剧变化的冲击力易造成关节二次伤害,同时较大的质量增加了身体的额外负担。基于气动人工肌肉设计并制作了一款柔性可穿戴动力手套装置,能够实现腕关节屈/伸、内收/外展两自由度运动,集康复训练与腕部助力于一体,轻量化柔顺的外骨骼结构提高了其便携性及舒适性。通过嵌入薄膜压力传感器能够感知手掌与物体之间的抓取力,自动实现腕关节助力功能并有效地保护腕部。对腕部进行穿戴静力分析求解手套装置的性能需求参数,并测试气动肌腱的关键指标及手套的整体性能,测试结果表明所设计的动力手套能够满足腕部康复训练要求并具有辅助的助力功能。