基于T-S模糊建模的气动肌肉拮抗关节预测角度控制

目的:为了提升气动肌肉拮抗关节的控制精度。方法:提出了一种用于气动肌肉拮抗关节角度跟踪的T-S模糊模型预测控制方法。建立了拮抗关节的T-S模糊模型,并对模型进行了离散化处理;基于离散后的T-S模糊模型,设计了拮抗关节的模型预测控制器,通过特征值法验证了系统的稳定性。结果:仿真实验表明,T-S模糊模型预测控制器跟踪±15°和±10°的角度时,相对于传统模型预测控制,平均绝对误差分别降低了29.05%和44.11%。结论:设计的T-S模糊模型预测控制器提高了气动肌肉拮抗关节的控制精度。

气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制

针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题,建立了一种新的气动人工肌肉等效弹簧模型及关节力和刚度模型,设计了一种双输入双输出滑模控制器,来实现对气动人工肌肉拮抗关节力与刚度的独立控制.最后,搭建了气动人工肌肉驱动的拮抗关节实验平台,在关节位置固定和开放两种状况下进行了实验研究,验证所提方法的有效性;在不同负载情况下进行了对比实验,验证所提方法的通用性.所提出的建模和控制方法综合考虑了仿生关节位置、力和刚度相对独立控制,在机器人与人或环境互相作用的场合有很好的应用前景.

一种气动肌肉拮抗驱动机器人关节的类人运动控制方法

为了实现气动人工肌肉拮抗驱动机器人关节系统的类人运动控制,针对该系统严重非线性的特点,本文将其控制问题视为一个非线性最优控制问题,根据人体手臂关节运动的最小加加速度模型设定系统的最优控制性能指标,首先采用扩张状态观测器将机器人关节模型线性化得到积分器串联标准型,然后在线性化模型基础上设计最优控制律,使机器人关节具有与人手臂关节相似的无约束运动轨迹.仿真结果表明,采用本文算法,机器人关节能实现大运动范围(0~120°)的类人运动,关节运动轨迹对负载的改变(1 kg^5 kg)不敏感,并且关节运动具有较好的抗扰动能力.在机器人关节实验平台上通过实物实验验证了算法的有效性,并进一步讨论了控制器参数的设计规则.本文算法需要整定的参数只有2个,适用于气动肌肉拮抗驱动关节的类人运动控制,能够满足协作机器人在本质安全性、运动柔顺性以及类人运动模式等方面的要求.

Angle Control of a Pneumatically Driven Musculoskeletal Model Based on Coordination of Agonist-Antagonist Muscle

In recent years, researchers have been actively pursuing research into developing robots that can be useful in many fields of industry （e.g., service, medical, and aging care）. Such robots must be safe and flexible so that they can coexist with people. Pneumatic actuators are useful for achieving this goal because they are lightweight units with natural compliance. Our research focuses on joint angle control for a pneumatically driven musculoskeletal model. In such a model, we use a one-degree-of-freedom joint model and a five-fingered robot hand as test beds. These models are driven by low pressure-driven pneumatic actuators, and mimic the mechanism of the human hand and musculoskeletal structure, which has an antagonistic muscle pair for each joint. We demonstrated a biologically inspired control method using the parameters antagonistic muscle ratio and antagonistic muscle activity. The concept of the method is based on coordination of an antagonistic muscle pair using these parameters. We have investigated the validity of the proposed method both theoretically and experimentally, developed a feedback control system, and conducted joint angle control by implementing the test beds.

绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析

针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题,研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想,将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分,分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节,在运动副上配置编码器用于检测关节位置,有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型,分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律,简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式,分析了不同关节角下的刚度特性。最后,针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明,设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。