论文总字数：20015字

摘 要

近年来，气动肌肉作为一种新型驱动元件，其运动和控制问题受到众多学者的关注与研究。因为气动人工肌肉的性能与生物肌肉相似，可以通过调节内部气压来控制气动人工肌肉的充气和放气，从而模拟生物肌肉的收缩和伸展运动。以气动人工肌肉为基础的柔性驱动器，拥有比传统驱动器更好的柔顺性、灵活性和安全性，同时也有着材料轻便体积小、功率/自重比大、易于控制、清洁与环保等诸多优势，从而在工业生产与机械控制领域有很广泛的应用。但也因为气动人工肌肉自身的结构特性，导致了其在运动控制上的非线性和迟滞性，使其难以精确控制。

本文研究可弯曲气动肌肉的动静态建模方法和运动控制。对气动肌肉采用有限元分析法进行分析，选取气动肌肉的部分参数建立可弯曲气动肌肉的静态模型。针对气动肌肉在运动过程中的非线性和迟滞性等特性，结合气动肌肉在动态运动过程中的相关物理特性，建立可弯曲气动肌肉的动态模型。对气动肌肉的运动控制进行仿真，设计基于模型参考的滑模控制和基于神经网络的自适应滑模控制算法，抑制气动肌肉在连续运动过程中的抖振，减小气动肌肉实际轨迹与期望轨迹的迟滞现象，实现对可弯曲气动肌肉弯曲角度的精准控制。

关键词：气动人工肌肉；动态模型；滑模控制

Abstract

In recent years, as a new type of driving component, the motion and control of pneumatic muscle have been concerned and studied by many scholars. Because the performance of pneumatic artificial muscle is similar to that of biological muscle. We can adjust the internal air pressure to control the inflation and deflation of pneumatic artificial muscles to simulate the contraction and extension of biological muscles. Pneumatic artificial muscle-based flexible drive has better flexibility, flexibility and safety than traditional drives. It also has many advantages such as light weight and small size, large power / weight ratio, easy control, cleaning and environmental protection. So it has a wide range of applications in the field of industrial production and mechanical control. But also because of the structural characteristics of the pneumatic artificial muscle itself, it leads to its nonlinearity and hysteresis in motion control, making it difficult to accurately control.

The dynamic and static modeling method and motion control of bendable pneumatic muscles are studied in this paper. The pneumatic muscle is analyzed by finite element analysis, and some parameters of the pneumatic muscle are selected to establish the static model of the bendable pneumatic muscle. According to the nonlinear and hysteretic characteristics of pneumatic muscle in the process of motion, the physical characteristics of pneumatic muscle are analyzed, and the dynamic model of flexible pneumatic muscle is established. Simulate the motion control of pneumatic muscles, design sliding mode control based on model reference and adaptive sliding mode control algorithm based on neural network are designed to restrain the chattering of pneumatic muscle in the process of continuous movement. reduce the hysteresis of the actual trajectory and the desired trajectory of the pneumatic muscle, and realize the accurate control of the bending angle of the bendable pneumatic muscle.

Keywords: pneumatic artificial muscle;dynamic model;sliding mode control

目录

摘要 Ⅰ

第1章 绪论 1

1.1 课题背景及研究目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 可弯曲气动肌肉研究现状 2

1.2.2 可弯曲气动肌肉控制研究现状 6

1.3 本文主要研究内容 7

第2章 可弯曲气动肌肉动静态建模 8

2.1 可弯曲气动肌肉静态建模 8

2.2 可弯曲气动肌肉动态建模 10

2.2.1 可弯曲气动肌肉动态模型方案 10

2.2.2 可弯曲气动肌肉动态模型参数辨识 11

2.3 本章小结 12

第3章 可弯曲气动肌肉滑模控制 13

3.1 基于模型参考的滑模控制 13

3.3.1 模型参考滑模控制介绍 13

3.3.2 模型参考滑模控制算法原理 13

3.3.3 模型参考滑模控制算法稳定性分析 14

3.2 基于神经网络的自适应滑模控制 15

3.2.1 神经网络自适应滑模控制介绍 15

3.2.2 神经网络自适应滑模控制算法原理 15

3.2.3 神经网络自适应滑模控制算法稳定性分析 16

3.3 本章小结 17

第4章 滑模控制仿真结果分析 18

4.1 滑模控制仿真结果 18

4.1.1 基于参考模型的滑模控制仿真结果 18

4.1.2 基于神经网络的自适应滑模控制仿真结果 19

4.1.3 不同干扰下系统自适应分析 21

4.1.4 仿真结果对比分析 22

4.2 实验结果与分析 22

4.3 本章小结 23

第5章 总结分析与展望 25

5.1 全文总结与分析 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究目的和意义

随着科学技术的发展，机器人在各学科领域如人工智能和自动化控制的推动下发展程度越来越高，机器人在我们的生活中也变得越来越重要，常见的机器人有工业机器人、康复机器人和智能机器人等，机器人的应用范围逐渐发展到工业、服务、公共安全和医疗等领域。机器人的发展经历了传统的刚性结构，到现在的柔性结构以及弯曲型柔性结构，其中气动人工肌肉的发展对机器人的发展起了极大的推动作用。传统的刚性机器人结构较为复杂，容错性较小，并且在相关使用过程中具有一定的危险性，而基于气动肌肉的柔性机器人有着更好的安全性、灵活性和柔顺性，现在被广为使用。

机器人的各个部件中手指是十分重要的，手指可以实现多种功能动作，传统的刚性机器人手指较为笨重且操作起来很复杂，而柔性手指所具备的灵活性和柔顺性可以大大增强手指的各项能力。可弯曲柔性气动手指是由一根可弯曲气动驱动器即气动肌肉组成的，气动肌肉是一种与人类肌肉输出特性类似的柔性气动驱动器件，在二维空间可以完成单侧弯曲运动，能够提供一定的柔顺性，使可弯曲柔性气动手指具有高度的灵活性，能够进行连续的变形运动。特别是在康复机器人领域，传统外骨骼式刚性机器人对于人体的手指关节进行康复训练有着一定的危险性，容易对患者造成二次伤害。而基于可弯曲气动肌肉柔性手指的康复机器人比如手部康复机器人，通常用硅胶等柔性材料制作，让患者对手部进行恢复训练的同时危险性小，对患者是非常具有帮助的。所以对于可弯曲气动肌肉的研究，具有十分重要的意义。

目前，基于柔性驱动器驱动的机器人是国内外机器人领域研究的重点，也是未来机器人领域发展的重要趋势。现在主要的气动驱动器类型有直线型的气动肌肉、可弯曲的柔性驱动器和扭转型的气动驱动器，本课题研究的可弯曲气动肌肉柔性手指在具有柔顺性的同时，其运动过程具有非线性和迟滞性等特性。由于柔性手指在运动过程中的非线性和迟滞性，想要准确的控制它，需要对其运动状态和特征进行精确的表述，而建立动静态模型可以帮助我们更好的了解其运动状态，并使用一系列方法对其运动状态进行控制和优化。我们需要分析气动肌肉的结构和各种运动状态，建立起动静态模型，从而使用合理的控制方式来实现可弯曲气动肌肉弯曲角度的精准控制。

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