面向单臂弯举的气动肌肉上肢外骨骼系统设计与实验

针对人体手臂负载弯举过程中易产生肩袖损伤的问题,设计了一种气动肌肉上肢外骨骼机器人.其本体结构由一个肘关节外骨骼机器人和气动式外展肩枕构成,并通过双层护肩结构固定于穿戴者上肢.该设计结合了刚性外骨骼机器人结构的力传递优势和柔性仿生式织物结构的柔顺性优势,在负载弯举过程中对穿戴者的肘关节和肩关节提供必要的助力,同时提高了...     

气动肌肉力-位移迟滞特性实验与建模

搭建了气动肌肉收缩力测试实验台,通过分析不同压力、行程、收缩速率及频率下气动肌肉收缩力与位移的关系曲线,得出气动肌肉的力-位移迟滞现象具有非对称性、非局部记忆性、大压力弱相关性和准率不相关性。针对常见Prandtl-Ishlinskii（PI）类模型难以准确描述气动肌肉力-位移迟滞曲线的问题,对通用PI迟滞模型的dead-zone算子进行方向上的修正,建立气动肌肉修正PI+Dead-zone迟滞模型,利用最小二乘法进行参数辨识,并与经典PI模型、经典Bouc-Wen（BW）模型、PI+Polynomial模型、Wang-Wen模型、BW+Polynomial模型进行精度对比分析。结果表明,PI类模型性能显著优于BW类模型,且修正PI+Dead-zone模型精度最高,各行程下绝对平均误差不超过1N、均方差不超过1.5N,能无差别处理气动肌肉力-位移迟滞曲线非对称性问题。小行程工况下,气动肌肉经典PI模型也具有一定的描述其力-位移迟滞现象的能力,且其模型参数相对较少。     

基于Prandtl-Ishlinskii模型的气动肌肉迟滞特性动态建模与控制方法

现有迟滞模型由于采用离线参数辨识方法,难以表征气动肌肉迟滞的时变性和负载相关性,极易产生较大的建模误差。为了精确表征气动肌肉的迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii（PI）模型描述气动肌肉的位移-气压迟滞特性,并采用带遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识PI模型参数。在此基础上,结合PI逆模型设计了一种带有前馈在线补偿的复合控制方法用于气动肌肉的运动控制。同时搭建相应的实验装置进行了气动肌肉迟滞建模和运动控制实验。实验结果表明,采用在线参数辨识方法后的PI模型能有效描述气动肌肉迟滞的负载相关性,且极大地降低了负载变化带来的控制误差。     

气动肌肉肘关节MPI迟滞模型与补偿控制

针对气动肌肉驱动的四连杆肘关节输入气压与输出角度间的迟滞进行分析。建立肘关节迟滞的PrandtlIshlinskii(PI)模型,采用Levenberg-Marquardt方法辨识模型参数;选择改进Play算子合适的包络函数,设计一种可描述非对称迟滞现象的改进PI(Modified PI,MPI)模型,相较于传统PI模型(Classical PI,CPI),MPI模型对非对称迟滞曲线拟合度更高。基于MPI模型,设计前馈积分逆补偿器,并与PID组成积分逆补偿控制器(MPI-I-I-PID);完成了MPI-I-I-PID、PID与基于CPI模型的积分逆补偿PID控制器(CPI-I-I-PID)的位置控制仿真。仿真结果表明,MPI-I-I-PID可以减小跟踪误差,提高跟踪精度。在不同负载下进行了控制实验,实验结果表明,随着负载增加,补偿效果减弱,为此在补偿器中加入分段PID,MPI-I-I-pPID可减小抖动幅度,降低肘关节跟踪误差,提高位置控制精度和稳定性,验证了迟滞补偿器的有效性。     

基于高速开关阀的气动人工肌肉轨迹跟踪控制仿真

针对基于高速开关阀的气动人工肌肉位置伺服控制系统的非线性与时变性,设计了基于气动人工肌肉实验模型的PID反馈控制器,实现气动人工肌肉的高精度运动轨迹跟踪控制。首先,通过实验建模得到气动人工肌肉静态特性的实验模型,然后基于理想气体多变方程,建立可有效描述气动人工肌肉动态特性的数学模型,利用Sanville流量公式建立流经高速开关阀阀口的气体流量方程,并采用脉冲信号调制法生成PWM信号,进而控制高速开关阀占空比。在此基础上,借助PID反馈控制器建立气动人工肌肉气压与轨迹跟踪的控制模型,并采用Simulink对所提出的气压和轨迹跟踪控制方法进行数值仿真。结果表明,所建立的控制模型能够精确地跟踪期望气压和运动轨迹,从而验证了控制模型和控制方案的精确性和可行性,为实现气动人工肌肉高精度轨迹跟踪控制提供了有效手段。     

软体手臂刚度特性分析

气动肌肉驱动的软体机器人具有质量轻、功率密度比高、人机交互安全性高等优点。提出了一种由伸长型及收缩型气动肌肉组成的变刚度软体机器人手臂,能够实现位置与刚度的解耦。针对单根收缩型及伸长型气动肌肉进行了刚度测试实验,利用最小二乘法建立了单根气动肌肉气压、位移及刚度关系模型。基于所建立的单根气动肌肉刚度模型,针对所设计的软体手臂,建立了手臂刚度模型。搭建了手臂刚度测试实验平台,通过实验验证可知理论模型与实验模型的刚度变化趋势一致,平均相对误差为3.60%,最大相对误差为6.17%。     

基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器研

设计了一种基于气动柔性驱动器的苹果采摘末端执行器：以气动柔性驱动器作为其弯曲关节,用力学分析的方法对弯曲关节及末端执行器进行建模,分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系;建立了末端执行器抓取苹果目标的数学模型。实验结果表明:该末端执行器有较大的输出力,能很好地抓持苹果,并具有很好的柔顺性。     

不同栅格翼模型气动特性研究

栅格翼是由外框架和众多薄壁的栅格组合而成的一种新型稳定控制面,具有很多优点,但由于栅格翼的阻力大,在一定程度上限制其应用。本文在前人对栅格翼优良结构和减阻方案探索的前提下,结合栅格翼整体后掠、前缘后掠、栅格壁前后缘削尖等减阻方案,在本人研究基础之上建立模型,在不同马赫数下进行仿真分析研究比较其气动特性。研究结果表明,对栅格翼进行前缘后掠、栅格壁前后缘的削尖,均能够有效提升升力特性。     

三自由度气动柔性驱动器结构功能与形变特性研究

设计了一种采用伸长型气动人工肌肉的三自由度柔性驱动器,该驱动器的驱动装置与本体复合一体,主要由3根对称分布的人工肌肉并联组成。根据力和力矩分析,考虑了驱动器伸长量、弯曲方向和弯曲角度的综合影响,建立了驱动器伸长量、弯曲方向和弯曲角度的非线性理论模型。通过试验对理论模型进行了验证,获得了柔性驱动器在不同通气方式下的形变性能。结果表明:该柔性驱动器弯曲时近似圆弧状,具有较高灵活性,能够实现轴向伸长和空间内任意方向弯曲,可作为执行部件应用于农业机器人和果蔬采摘机械手等仿生机械上。     

气动隔膜泵的工作特性分析

鉴于气动隔膜泵的使用愈加广泛,重点介绍了其结构及工作原理、特点与常见故障排除方法,便于更加合理的使用设备.     

临界风速气力输送模糊控制仿真

基于MATLAB／Simulink软件环境，建立了临界风速气力输送模糊控制模型，并进行了仿真研究。仿真结果表明，模糊控制器能很好地达到预期控制效果，并具有快速、准确的优点，从而解决了气力输送过程中按动耗最低原则自动调节和控制风速的问题，为气力输送系统的性能改进提供了一条途径。     

高精度气动比例压力阀设计与特性分析

设计了一种两级阀芯活塞式结构的以比例电磁铁为控制元件,采用电反馈闭环控制的高精度气动比例压力阀。该阀输出压力在0.6MPa内连续可调,且稳态精度可达0.25 kPa。建立了比例阀完整的非线性动态模型,分析了主要物理和几何参数对系统动态特性和控制性能的影响;构建了输出因子调整的模糊自适应比例加积分控制器,并利用ATmega16单片机实现了压力在设定范围内的快速高精度控制。实验结果表明,该阀在设计压力范围内具有良好的压力和流量特性;和传统PI算法相比,输出因子调整的模糊自适应算法在改善系统响应和控制稳定性的同时,显著提高了稳态控制精度,具有较高的效率和鲁棒性。     

气动排污装置的应用

针对潜污泵在含固体废物以及缠绕性废物较多的场合应用中故障率较高的现象，设计了利用压缩空气作为动力的气动排污装置。介绍了该装置的抽吸原理、设计及安装方法。应用表明该装置具有节省投资、便于维护、操作安全等特点。     

网棚养殖蝗虫吸捕机设计

针对网棚养殖蝗虫的捕集问题,设计了旋风分离式蝗虫吸捕机.使用CFD软件对吸嘴和分离装置的内部气流场进行了数值模拟.样机试验表明:当吸嘴倾角为75°、吸口气流速度为14 m/s、吸嘴距地高度为40 mm、机器前进速度为0.4 m/s时,可以获得较高的吸捕率和较低的破碎率.实际作业时可根据蝗虫分布密度,灵活调节吸口风速和机器前进速度,以提高吸捕效率、降低能耗.     

超高压气动加注阀流量特性试验研究

以预混高压气体加注为工程背景,对超高压气体精确加注的关键元件——超高压气动加注阀的流量特性进行了试验研究。利用杠杆原理和自密封结构设计,解决了超高压气动加注阀阀芯驱动力大、响应速度慢和高压气体泄漏的难题,设计出中低压小流量控制高压大流量的超高压气动加注阀。阐述了气动加注阀阀口流量特性的试验装置和测试系统,建立了阀门不同开度下的加注阀流道简化模型,在加注压力大于10 MPa条件下,对气动加注阀在不同阀口节流面积下的流量特性进行了试验研究。试验表明,储罐气体背压增长率和阀门开启高度对阀口流量特性影响较大;阀门开度较大时,阀口流道可简化为两级节流口串联,流量特性与理想收缩喷管相符,临界压力比在0.5左右;阀口开度较小时,阀口流道可简化为三级节流口串联,流量特性比较独特,临界压力比在0.3左右;增大阀门开度和加注压力是提高瞬时流量和流量系数最为有效的方法。     

稻壳气力给料装置试验研究

为可靠输送稻壳,提出了一种可用于小型稻壳气化或燃烧装置的非机械阀气力给料方案。通过试验考察了给料系统的输送能力、调节范围及输送效率等方面的性能,结果表明,该方案低负荷调节特性好,给料量调节范围宽,输送效率高,气固比小,与机械式给料方案相比,结构简单,成本低,运行可靠,有较好的推广、应用前景。     

气力式油菜精量排种器试验

为探讨气力式油菜精量排种器的性能参数的最佳匹配,以排种器的合格指数、重播指数、漏播指数、种子破碎率为评价指标,对排种盘转速、种子带速度、正压区以及负压区相对压力进行了单因素和正交试验.单因素试验表明:种子破碎率为零,排种盘转速、正压区压强、负压区压强三因素对合格指数、重播指数、漏播指数3项试验指标有显著影响.正交试验表明:正压区相对压力为440 Pa,负压区相对压力为-834 Pa,排种盘转速为15 r/min,排种效果最好,合格指数可达94.2%,重播指数和漏播指数均小于3.0%.