七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现

论文摘要

随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术本身的优点,气动机械手已经广泛应用于生产自动化的各个行业。气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件,具有结构简单、功率/自重比大、柔顺性好等优点,已经在仿生机器人、仿生医学、服务机器人等领域得到了广泛的应用。气动肌肉驱动的机器人手臂是一类具有良好柔顺性能的机器人手臂,在众多领域具有突出的优势。在气动肌肉驱动的机器人手臂系统中,机械手臂关节转动调节、位置控制、远程控制等是其中最为重要的关键技术问题。本文以原有气动肌肉机械手臂为背景,改进了机械手臂,并对气动机械手臂的关键技术进行了研究,并利用实验对研究结果进行了详细的验证。本文的主要工作包括:结合实测数据,并综合考虑气动人工肌肉端部影响、橡胶弹性力和橡胶筒与纤维层之间摩擦力等因素,给出输出力、压力和肌肉长度三者之间的关系,提出了一种简单方便的气动人工肌肉数学模型,并采用数值拟合的方法验证了该数学模型的正确性。设计了一种七自由度的气动机械手臂,该手臂包括腕关节、肘关节和肩关节。其中,腕关节、肘关节采用虎克铰来实现机械手部的上下、左右移动和前臂的弯转、扭曲运动,肩关节采用分离的三自由度形式来实现整个手臂旋转、屈展和抬升运动。通过运动仿真验证了机构的合理性,得到了手臂各关节的理论运动角度。对该手臂进行了运动学分析,得出了关节转角和末端之间的运动学解。采用PID控制器对关节进行了闭环控制研究,并通过实验证明了PID控制器的可行性和有效性。但PID控制关节的响应时间太长不能满足机械手臂轨迹规划的需求,因此又设计了一种具有自适应、自学习功能的单神经元自适应PID控制器来提高关节的控制性能,实验证明该控制器使气动肌肉驱动的关节响应时间短、位置精度高。设计开发了一种基于nRF905无线收发芯片和51单片机的气动机械手臂远程遥控系统,并对远程遥控系统的控制区域和气动肌肉机械手关节控制效果进行了实验研究。实验表明,该远程遥控系统在室内100m区域内能够较好的对气动肌肉机械手臂进行远程控制。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 气动人工肌肉的发展
• 1.3 气动人工肌肉机器人的国内外研究现状
• 1.4 气动人工肌肉驱动关节的控制方法研究现状
• 1.5 论文的主要研究工作
• 第二章 气动肌肉的静特性数值拟合研究
• 2.1 气动肌肉工作原理
• 2.2 气动肌肉静特性常用数学模型
• 2.3 气动肌肉的静特性拟合研究
• 2.3.1 气动人工肌肉静特性实验装置
• 2.3.2 气动人工肌肉静特性测试过程
• 2.3.3 气动人工肌肉数学模型拟合
• 2.3.4 气动人工肌肉静特性拟合
• 2.4 本章小结
• 第三章 气动肌肉机械手臂的总体设计
• 3.1 人体手臂运动机理介绍
• 3.2 气动肌肉机械手臂结构设计和建模
• 3.3 气动肌肉机械手臂结构设计与仿真
• 3.3.1 肩关节设计及仿真
• 3.3.2 肘关节设计及仿真
• 3.3.3 腕关节设计及仿真
• 3.4 气动肌肉机械手臂运动学分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 气动肌肉驱动关节的控制研究
• 4.1 引言
• 4.2 气动回路设计
• 4.2.1 气动回路及工作原理
• 4.2.2 气动元件选型
• 4.3 机械手臂控制系统原理和设计
• 4.3.1 控制系统及工作原理
• 4.3.2 控制元件的选择
• 4.4 气动肌肉机械手臂关节的开环响应特性
• 4.5 气动肌肉机械手臂闭环控制方法
• 4.5.1 关节的PID 控制
• 4.5.2 单神经元PID 控制
• 4.5.3 实验结果对比分析
• 4.6 气动肌肉机械手臂控制界面
• 4.7 本章小结
• 第五章 气动肌肉机械手臂的远程控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 气动机械手臂远程控制硬件设计
• 5.3 气动机械手臂远程控制软件设计
• 5.4 气动机械手臂远程控制实验研究
• 5.4.1 远程控制发送界面设计
• 5.4.2 远程控制系统电路调试
• 5.4.3 远程控制系统实验结果
• 5.5 机械手臂总体实验研究
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果