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。

气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节位置/刚度控制

仿生关节是四足仿生机器人实现灵活跳跃、奔跑等高速复杂运动的基本要素。针对现有气动肌腱驱动的仿生关节难以实现设定刚度下的高精度位置控制问题,提出一种基于模糊神经网络补偿控制的拮抗式仿生关节位置/刚度控制新方法。建立关节位置/刚度解算模型,根据关节驱动力矩及设定刚度计算气动肌腱的理论充气压力;建立关节输出刚度计算模型,根据关节输出位置及气动肌腱的实际充气压力计算仿生关节的实际输出刚度;采用由模糊神经网络补偿控制器、PID控制器和模糊神经网络辨识器构成的模糊神经网络补偿控制结构实现对仿生关节的高精度位置控制。以FESTO公司MAS型气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节为控制对象,进行关节位置/刚度控制的试验研究,对比PID控制和模糊神经网络补偿控制的位置控制精度,探究仿生关节刚度的动态响应。试验结果表明:模糊神经网络补偿控制方法的位置控制精度显著优于PID控制方法,位置控制精度由3°提高到0.6°;同时两种控制方法均能较好地跟随关节设定刚度,刚度跟踪精度均在1 N?m/rad内。

气动肌腱与铰杆增力机构的三种组合系统及其比较

介绍了三种以气动肌腱为驱动的铰杆式增力机构,并给出了相应的输出力计算公式。用气动肌腱代替传统的气缸,能使装置在体积尺寸上更为紧凑,适用于需要较大输出力且结构尺寸受限制的场合。

绿色夹具——基于气动肌腱与机械增力机构的夹具系统

目前人们对夹具技术绿色化的研究,明显滞后于对绿色切削以及绿色机床等方面的研究。本文以流体传动夹具工作介质的绿色化为出发点,结合采用新型的气动执行元件进行整合创新。提出将气动肌腱与机械增力机构进行组合,以代替容易产生污染的液压传动夹具。并通过具体创新案例,对基于气动肌腱和机械增力机构的绿色化夹具系统进行了分析。

小型无人机气动肌腱式弹射系统动态仿真与优化

针对冲击气缸式无人机弹射系统耗气量高、质量大、动态特性差等弊端,提出了一种仿生气动肌腱式无人机弹射系统,利用气动肌腱的弱非线性,通过配置楔角以改善无人机加速阶段的受力情况,减缓加速度波动。对该弹射系统进行数学建模和动力学分析,并搭建Simulink模型对该系统进行仿真求解;通过MATLAB与Simulink对现有加速轨道通过多目标遗传算法实现进一步优化。优化后的加速轨道能提升加速度均值、气动肌腱能量利用率和起飞速度,且降低了加速度峰值,加速度波动在原有基础上降低了76.79%。仿真和优化结果表明,提出的气动肌腱式无人机弹射系统不仅避免了冲击气缸式弹射系统的缺点,还能进一步平缓加速度,减小整体系统的最大过载。

气动肌腱驱动的关节位置和刚度控制仿真

针对现有气动肌腱驱动的关节难以实现位置和刚度的高精度控制问题,提出一种基于神经网络补偿控制的关节位置和刚度控制新方法。建立关节系统数学模型及关节位置和刚度解算模型实现关节位置和刚度的同步控制;采用神经网络补偿控制结构实现对关节位置和刚度的高精度控制。以FESTO公司MAS型气动肌腱驱动的关节为控制对象,进行关节位置和刚度控制的仿真研究,对比传统PID控制和神经网络补偿控制的控制精度。仿真结果表明神经网络补偿控制方法的关节位置和刚度控制精度均显著优于传统PID控制方法,正弦波、方波位置控制精度分别由0.75°,2.72°提高到0.01°,0.99°,恒定、正弦、阶梯刚度控制精度分别由0.25,1.53,1.19 Nm/rad提高到0.03,0.08,0.12 Nm/rad。

基于气动肌腱的三级增力压紧装置

介绍了一种新型的基于气动肌腱的三级增力压紧装置,对系统的工作原理进行了分析并给出了工作原理图。文章对系统的输出力和力放大系数给出了相应的计算公式。该装置以气动肌腱为动力源,利用铰杆的角度效应以及杠杆的长度效应对输入力进行放大和传递。装置结构紧凑,技术功能较为完善,增力效果明显,是对传动机构绿色化设计的一种尝试。

基于增力铰杆的气动肌腱夹紧装置

介绍了1种基于增力铰杆的气动肌腱夹紧装置,对系统的工作原理进行了分析,给出了相应的力学计算公式。该装置将已往的刚性驱动改变为柔性驱动,并且利用铰杆间的角度效应对输入力进行放大和传递。在气动肌腱体积一定的条件下,系统能够显著地对输入力进行放大。该装置增力效果明显,没有污染,是对绿色化设计的一种尝试。

气动肌腱驱动的双作用双级气-液复合传动装置

介绍了一种以气动肌腱驱动的双作用双级气-液复合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。该装置以气动肌腱为驱动元件,工作效率高,技术性能较为完善。

气动肌腱驱动的形封闭偏心夹紧装置

介绍了一种由气动肌腱驱动的形封闭偏心夹紧装置的结构特点、工作原理,推出实际增力系数的计算公式,并通过比较分析了该结构的优点。

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。

可重构:基于杆件长度与角度效应气动肌腱驱动的夹具系统

利用杆件可重构的设计理念,通过改变基本杆件的形状和位置,仅仅利用几何形状极为简单的杆件,就可根据实际生产需要,创造出各式各样具有不同形式、不同力放大功能的力放大机构,该文介绍了利用直径不同的2只气动肌腱与可重构杆件进行组合创新设计的夹具系统,对其工作原理进行了分析,并给出了相应的力学计算公式。该夹具系统适应了绿色化的发展趋势,具有比较广阔的应用前景。

气动肌腱驱动的二次型铰链增力机构

介绍了一种利用气动肌腱与铰链机构相结合实现两次增力的新型夹具的结构特点、工作原理,推出了其理论与实际增力系数的计算公式,并分析了其优点。

基于气动肌腱与二次正交铰杆增力机构的夹具系统

简述了气动肌腱作为一种新型的柔性气动执行元件。具有许多普通气缸所不具备的特性,能较好地适应制造技术绿色化发展趋势。将气动肌腱与各种形式的机械增力机构相结合,是一种实用而又新颖的创新设计方法。在此基础上,介绍了两种以气动肌腱为驱动力的二次正交饺杆增力气动夹具的结构特点、工作原理,并给出了其力学计算式。

基于铰杆增力机构的气动肌腱-液压复合传动装置

介绍了一种基于铰杆增力机构的气动肌腱-液压复合传动装置,并对系统的工作原理进行了分析,给出其输出流量与输出压力的计算公式。该装置以气动肌腱作为动力源,通过铰杆机构对输出液压油进行增压。实现了液压油的封闭式循环,减轻油液对环境的污染,该装置增压效果显著,技术性能较为完善。

气动肌腱驱动的杠杆铰杆式二次增力机构

介绍了一种以气动肌腱为驱动力的杠杆 铰杆式二次增力机构的工作原理 ,给出了其力学计算公式。气动肌腱提供一个驱动力 ,该装置可获得一个

气动肌腱与杠杆-铰杆增力机构的组合装置

介绍了一种以气动肌腱为驱动力,与铰杆-杠杆式增力相组合的传动装置的工作原理,给出了其力学计算公式。该装置结构紧凑,增力效果好,符合传动技术绿色化的潮流。

气动肌腱驱动的基于杆件-铰杆的对称夹具系统设计

利用气动肌腱代替传统的刚性气缸,与杠杆-铰杆增力机构进行巧妙的对称组合,可以代替传统液压夹具,具有结构紧凑、输出力大、无污染的优点。在此基础上,设计4种气动肌腱驱动的基于杆件-铰杆的对称夹具,分别介绍其工作原理,并给出相应的力学计算公式。

气动肌腱驱动的铰杆-杠杆增力机械手

介绍了一种以气动肌腱为驱动力的铰杆-杠杆式增力机械手的工作原理,给出了其力学计算公式,在某些生产线上,可以用该装置代替人工操作以及气缸或液压缸驱动的机械手。

气动肌腱驱动的杠杆-双滚轮式二次增力机构

介绍了一种以气动肌腱为驱动力的杠杆-双滚轮式二次增力机构的工作原理,给出了其力学计算公式。该装置结构紧凑,能对输入力进行高倍放大后输出。