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基于气动肌腱的拮抗式仿生关节研究

作　者: 谭宏伟
导　师: 郭伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 气动肌腱仿生变刚度关节
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 64次
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内容摘要

自然界中四足生物有着快速、灵活、适应性强的特点,四足机器人也在逐步向着高速、灵活性的方向发展,机器人由静步态发展到动步态,柔性关节的引入对运动性能以及环境适应性的提高起着非常重要的作用。随着气动肌腱产品的标准化以及气动伺服技术的发展,基于由气动肌腱和人工骨骼的仿生驱动方式逐渐成为仿生机器人研究的热点。论文以工程控制实用化为目标牵引建立气动肌腱的静态数学模型,并以此为依据分析了杠杆式关节的工作空间,针对于关节冗余驱动问题提出了关节位置控制、刚度控制以及位置/刚度的解耦控制策略,为基于气动肌腱的四足机器人仿生柔性关节的设计奠定基础。首先,根据测试要求搭建气动肌腱特性测试系统,对气动肌腱的静态特性进行等压实验测试,建立了适合工程实用的气动肌腱的数学模型。并以此为基础定量分析了影响杠杆构型关节工作空间的因素,为此构型关节的结构参数设计提供了依据。其次,针对于不同的关节运动要求,分析原动肌和拮抗肌在关节运动中的冗余驱动问题,提出位置-位置控制和位置-力控制的关节位置控制策略,解决了在位置控制中的两根气动肌腱的拮抗工作问题。另外,在论文建立的气动肌腱数学模型的基础上研究了关节的变度控制问题,提出了关节的刚度控制策略和位置/刚度解耦控制策略。最后,设计单关节的机械结构及其控制系统,搭建单关节实验系统平台,并在此基础上进行单关节的位置控制和变刚度控制实验,验证了所建立的气动肌腱模型的正确性以及位置控制策略和刚度控制策略的有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 课题来源及课题背景  9-10
    1.1.1 课题来源  9
    1.1.2 课题背景  9-10
  1.2 多足机器人柔性关节研究综述  10-11
  1.3 气动肌腱研究综述  11-16
    1.3.1 气动肌腱发展现状  11-13
    1.3.2 气动肌腱模型研究  13-14
    1.3.3 气动肌腱应用现状  14-16
  1.4 本课题的主要研究内容  16-17
第2章气动肌腱特性分析与建模研究  17-31
  2.1 引言  17
  2.2 气动肌腱的工作原理  17-20
    2.2.1 生物肌肉收缩机理  17-18
    2.2.2 气动肌腱工作原理  18-20
  2.3 气动肌腱特性实验与建模  20-28
    2.3.1 实验测试平台搭建  20-21
    2.3.2 静态实验与参数辨识  21-28
  2.4 气动肌腱的特性分析  28-29
  2.5 本章小结  29-31
第3章拮抗型仿生关节控制策略研究  31-49
  3.1 引言  31
  3.2 拮抗型仿生关节研究  31-38
    3.2.1 关节构型分析  31-32
    3.2.2 关节运动学分析  32-34
    3.2.3 关节工作空间分析  34-37
    3.2.4 关节动力学分析  37-38
  3.3 关节控制策略研究  38-48
    3.3.1 位置控制策略  38-41
    3.3.2 变刚度控制策略  41-48
  3.4 本章小结  48-49
第4章拮抗型仿生关节实验研究  49-62
  4.1 引言  49
  4.2 仿生气动关节实验系统设计  49-55
    4.2.1 拮抗式气动关节设计  49
    4.2.2 单关节控制器设计  49-55
  4.3 位置控制实验  55-58
    4.3.1 位置-位置控制策略实验  55-57
    4.3.2 位置-力分段控制策略  57-58
  4.4 变刚度实验  58-61
    4.4.1 静态加载实验  58-59
    4.4.2 冲击实验  59-61
  4.5 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
致谢  67

基于气动肌腱的拮抗式仿生关节研究

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