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。     

基于改进Maxwell迟滞模型的气动肌腱精确力模型

针对现有定参数Maxwell模型对气动肌腱压力/长度非对称迟滞特性力模型精度较低问题,提出非对称变参数型Maxwell迟滞模型方法.构造变刚度滑块算子替代原定刚度滑块算子来辨识某一等压下非对称迟滞模型参数,再结合不同等压、工作长度条件下的迟滞特性差异,动态加权辨识迟滞模型参数,满足不同等压、工作长度的非对称迟滞情况.以...     

智能气动肌肉的静态驱动特性研

研究了形状记忆合金丝(SMA)编织网的主动变形及对气动肌肉静态驱动特性的影响.建立了SMA丝内应力与静态驱动力的平衡方程.针对升降温中SMA丝的相变,分析了马氏体和奥氏体体积比变化,建立了温度SMA收缩率模型,并应用到气动肌肉的收缩率、收缩力和刚密度特性计算中.Matlab仿真得到了SMA变形曲线和气动肌肉特性变化曲面.分析结果表明SMA变形存在迟滞,SMA主动伸缩使得编织角变化范围更广,刚密度变化更突出.SMA收缩率变大,气动肌肉收缩力增强.     

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...     

气动柔性灵巧手输出力控制技术

阐述了一种气动柔性驱动器( FPA),及采用FPA驱动的气动柔性灵巧手(ZJUT Hand).以ZJUT Hand为研究对象,基于微分运动学理论,建立其手指的静力学模型,完成了手指静力跟踪的半闭环控制实验,验证了ZJUT Hand手指便于控制输出力的特点;基于指尖五维力传感器,提出了一种模糊自适应指尖力动态跟踪控制策略,完成了手指指尖力动态跟踪实验,结果表明:该控制策略能够在未知环境下,实现对手指指尖力快速、精确的动态跟踪,响应时间约为1 s,跟踪误差稳定在±0.15N内.     

压电致动柔性结构的迟滞建模与精密控制技术研究

【目的】压电致动柔性结构固有的非线性迟滞行为和蠕变行为等特性会直接影响其定位精度,特别是非线性迟滞现象大大降低了定位精度。因此,为了获得较高的定位精度,研究压电致动柔性结构的迟滞建模和控制方法有重大意义。【方法】课题组探讨了压电致动柔性结构的迟滞特性与分类,迟滞模型通常可以分为物理迟滞模型和唯象迟滞模型。重点对唯象迟滞模型进行了探讨,其又可以分为静态迟滞模型和动态迟滞模型。在静态迟滞建模部分罗列了4种广泛应用的模型,而动态迟滞建模分为整体式和分离式两类,对比分析了其各自的优缺点及适用场合。【结果】在迟滞建模方面,分离式动态建模方法不但能够充分继承静态迟滞建模的优点,而且建模较为简单,因而被广泛应用。在控制策略方面,无迟滞逆模型的控制方法相对较为简单,避免了迟滞系统建模难的问题;而基于迟滞逆模型的控制方法简单易学,能够有效用于压电致动柔性结构的迟滞补偿。【结论】压电致动柔性结构与传统执行机构相比,具有响应快、驱动力大、分辨率高、噪声低等优点,在机械加工、振动控制、校准以及微纳观测和操作等各个领域的应用前景广阔。     

3自由度气动柔性手指包络抓持力模型研究

提出了一种基于气动柔性驱动器的3个自由度手指指节法向力可控的包络抓持模型。分析了目标物体受力状况,按照手指指节与目标物体之间的各个接触力尽量均匀的原则,对目标物体受力进行了优化。建立了关于手指指节接触点所受到的法向力及摩擦力与关节驱动器输出力之间的力学模型。使用2个触力传感器,应用杠杆原理建立了接触点法向力及其作用点的测量模型。提出了指节接触点法向力的双闭环控制策略,设置了补偿器对摩擦力进行实时补偿,对压力反馈信号进行微分处理,用以消除压力检测信号中所包含的高频噪声。搭建了试验平台,试验结果表明:手指法向力动态响应时间为约1 s,误差范围稳定在±0.5 N。     

非完全对称气动柔性弯曲关节力学特性实验

为改进柔性机器人驱动器结构及数学模型,提出了一种非完全对称气动柔性弯曲关节及其数学模型。为了实现其实时闭环控制系统,进一步简化了原有数学模型,并对其力学特性进行了实验研究。搭建了力学特性实验平台,并对两种不同规格(长度分别为40、60 mm)的关节进行了测试。采用Matlab曲线及曲面工具箱对测试结果进行分析,得到了新型气动柔性弯曲关节的经验模型。该经验模型表明气动柔性弯曲关节的弯曲角度与初始长度、关节内外气压差、输出力之间存在非线性关系。与简化的数学模型比较,该经验模型具有更高的精度,其中输出角度模型相对误差平均值小于6.7%,输出力模型相对误差平均值小于2%。同时,该经验模型纠正了原有数学模型中,认为关节初始长度与弯曲角呈正比的错误结论。     

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。     

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。     

气动柔性果蔬采摘机械手运动学分析与实验

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。     

气动柔性摆动关节静态模型

提出了一种基于气动柔性驱动器( FPA)的摆动关节,该关节由左、右两个对称分布的弧形FPA并联而成,弧形FPA两个活动端与摆动关节的动平台固定连接,动平台可以绕着转动副摆动.改变两个弧形FPA的内腔气压,驱动左、右弧形FPA输出不同大小的转动角度,从而实现该关节的摆动运动.基于力矩平衡原理建立了摆动关节的静态模型,仿真分析表明摆动关节的转动角度与弧形FPA内腔气体压力基本呈线性关系,并且转动角度随初始角度、FPA平均半径、预拉伸角度的增大而增大,随FPA壁厚的增大而减小.实验结果表明所建立的数学模型能够描述摆动关节的静态特性.     

气力式水稻单粒精密播种机的设计与试验

为实现优质杂交水稻的单粒精密穴盘播种,提出一种利用电磁振动供种、选种机构选出单粒种子、负压吸种和正压排种的新型吸排种原理.在对供种机构、选种机构、吸排种机构和整机气动控制系统进行设计的基础上,搭建播种试验平台.对不同水稻品种进行试验研究,整机播种单粒率高于85%,空穴率均低于6%,合格率大于90%,综合播种性能良好.     

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。     

基于J—A模型磁滞回线仿真及有效性研究

分析变压器、发电机等铣芯设备的暂态行为时,常用分段线性化的磁化曲线代替磁滞回线,但这种方法存在计算误差和震荡问题。分析J-A磁滞回线模型的基本原理,用等式变彤方法推导出逆J—A模型,分析其计算稳定性差的可能原因。根据已有参数,应用J—A模型对实际磁性材料的动态磁滞回线进行仿真分析,研究结果表明,涡流损耗对磁滞回线的影响较大。