气动人工肌肉驱动的柔性冗余并联机构的实验研究

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1、硕士学位论文气动人工肌肉驱动的柔性冗余并联机构的实验研究EXPERIMENTALSTUDYOFFLEXIBLEREDUNDANTPARALLELMECHANISMACTUATEDBYPNEUMATICARTIFICALMUSCLES郭江峰哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文气动人工肌肉驱动的柔性冗余并联机构的实验研究硕士研究生：郭江峰导师：姜洪洲教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TP242.2Schoolcode:10213U.D.C:681.5Securityclassification:publicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEXPERIMENTALSTUDYOFFLEXIBLEREDUNDANTPARALLELMECHANISMACTUATEDBYPNEUMATICARTIFICALMUSCLESCandidate：GuoJiangfengSupervisor：Prof.JiangHongzhouAcademicDegreeApp

3、liedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要气动人工肌肉作为一种模拟生物体肌肉设计的新型驱动元件，具有类似于生物体肌肉的柔顺性，将其应用于冗余六自由度并联机构是对气动人工肌肉应用的一种新尝试。本文以

4、气动人工肌肉驱动的冗余六自由度并联机构为研究对象，以目前文献中关于气动人工肌肉和冗余六自由度并联机构的研究为基础，设计了一个气动人工肌肉驱动的冗余并联机构实验台，用以验证冗余驱动并联机构可以通过其内力的调整改变自身的刚度。本文首先通过对冗余并联机构的运动学和单刚体动力学分析，考虑气动人工肌肉的具体结构等因素，设计并搭建了一个8根气动人工肌肉驱动的中心带有弹簧支撑的冗余六自由度并联机构。为测量其位姿，本文创新性地设计了一个六自由度位姿传感器。为测试气动人工肌肉的特性和了解其构成系统的控制性能，设计和搭建了一个单根气动人工肌肉实验台。其次，根据气动人工肌

5、肉的具体模型，建立了考虑气动人工肌肉橡胶筒壁厚的理想静态数学模型，考虑了气动人工肌肉橡胶筒弹性和其自身的内摩擦力，得出了能较好反映气动人工肌肉实际静态特性的数学模型。从气体热力学和动力学角度出发，建立了气动人工肌肉动态数学模型，控制阀的流量方程以及负载模型的动力学方程，得到了气动人工肌肉控制系统的非线性状态方程。使用PID进行了气动人工肌肉位置控制系统的实验研究，取得了稳态误差小于0.1mm的控制效果。最后，本文研究了气动人工肌肉驱动的冗余并联机构位姿闭环系统，测试了系统各个自由度上的响应能力。通过进行扫频实验，测量了运动平台在不同内力时，系统在各个

6、自由度上的谐振频率。根据谐振频率与系统刚度的对应关系，验证了通过改变冗余并联机构的内力改变系统刚度的理论。得出了本课题使用的冗余并联机构在各个自由度上刚度变化的走势和幅度。关键词：冗余并联机构；气动人工肌肉；变刚度I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractPneumaticartificialmuscle(PAM)isanewkindofactuatorwhichisdesignedbysimulatingtheorganismalmuscle.ApplyingPAMsactuatingredundant6DOFparallelmechanis

7、msisanewattemptoftheapplicationofPAMsanditisthemainobjectiveofthisdissertation.BasedonrelatedliteratureofPAMandredundant6-DOFparallelmechanism,aredundantparallelmechanismexperimentalrigactuatedbyPAMsisdesigned,whichistoverifythetheorythatinternalforcescanbeutilizedtomodulatethe

8、stiffnessofredundantparallelmechanisms.Firstly,basedon