浅析粒子群算法的气动人工肌肉建模与优化

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1、2010年11月机床与液压NOV．2010第38卷第21期MACHINETO0L&HYDRAULICSVo1．38No．21DOI：10．3969／j．issn．1001——3881．2010．21．013基于粒子群算法的气动人工肌肉建模与优化田艳兵(青岛理工大学自动化工程学院，山东青岛266520)摘要：对气动人工肌肉的数学模型进行研究。给出基本数学模型，在此基础上提出一种简化模型，利用粒子群算法对简化模型的相关参数进行优化，将利用简化后的数学模型得到的计算数据和实验数据进行对比。结果表明优化后的数学模型切实可行，有利于控制策略的实现，简化了算法程序设计。关键词：人工肌肉；

2、粒子群算法；模型优化；仿真中图分类号：TH138．9文献标识码：A文章编号：1001—3881(2010)21—043—3ModelingandOptimizationofPneumaticArtificialMuscleBasedonParticleSwarmOptimizationTIANYanbing(AutomationEngineeringCollege，QingdaoTechnologicalUniversity，QingdaoShandong266520，China)Abstract：Themathematicalmodelofpneumaticartifici

3、almuscleswasstudied．Basedonbasicmathematicalmodel，asimpli—fledmodelWasproposed．ThemodelparameterswereoptimizedwithparticleswaI／nalgorithm．Thecalculateddatabasedonthesimpli—fledmathematicalmodelwerecomparedwiththeexperimentaldata．Theresultsindicatethattheoptimizedmathematicalmodelisprac—tica

4、l，andcontrolstrategyiseasytorealize，programalgorithmissimple．Keywords：Pneumaticartificialmuscle；Particleswarmoptimization；Modeloptimization；Simulation人工肌肉早在20世纪30年代就被俄罗斯的发明1．1解析法建立数学模型家SGarsiev制造出来，工作介质是液压油。80年代，传统的建模方法主要是解析法，最常用的是基于日本气压式轮胎制造企业Bridgestone公司开始对空气能量守恒理论的建模方法，其基本原理是气体充人人压人工肌肉进

5、行研究，并将它运用于驱动。气动人工工肌肉并对其做功时，如果忽略做功过程中能量的损肌肉由具有气密性的橡胶管和套在橡胶管外面的编制耗则可以按照能量守恒定律建立起一种基本数学模网构成，其结构简单、质量轻、易于小型化；动作平型。滑、柔软，无相对摩擦运动部件；输出力一自重比对气动人工肌肉充气，实际上是冲人气体产生的大、能量转换效率高；价格低廉，特别是由于气动人压力对人工肌肉做功的过程，输入功可以为：工肌肉的运动方式和力一长度特性与生物肌肉相仿，，rdWi=J(P—P。)dIidsi=(P—Po)Jdlidsi=PdV得到了广泛应用。(1)目前，德国Festo公司、日本Bridgesto

6、ne公司、式中：Wi为系统输入功率，P为冲入气体的绝对压力，英国Merlinsystems公司等相继推出了系列化的气动肌P为外部环境的大气压力，为人工肌肉的实际体积。肉元件产品。当人工肌肉充气压力增大时，人工肌肉产生收缩，若1气动人工肌肉静态模型的建立此时人工肌肉的一端固定，则此时人工肌肉会对外做运用气动人工肌肉就必须掌握它的运动规律，建功，其对外输出功为：立起实用的的数学模型。其工作机理为当气动人工肌dWo=一FdL(2)肉充气后，橡胶管开始膨胀，使气动人工肌肉产生径式中：为系统对外输出功，F为对外产生的作用向膨胀和轴向收缩。如果在气动人工肌肉运动时使其力，为力所产生的位移

7、。根据能量守恒定律，有一端连以负载，就可以靠收缩产生的力驱动负载；释dWo=dW,，根据式(1)和(2)可以得到：放气体时，橡胶管弹性力使气动人工肌肉回复到初始F=一(P—P0)dV=一PdV(3)位置。收稿日期：2009—10—28作者简介：田艳兵(1978一)，男，博士研究生，教师，主要研究运动驱动系统、现代检测技术、智能控制系统。电话：15210510921，E—mail：tianyanbing@qtech．edu．cn。·44·机床与液压第38卷(2)忽略了气动人工肌肉的两侧固定端对其形状的影响