气动人工肌肉驱动的三自由度转动并联机构研究

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1、中图分类号：TH138TP242论文编号：102870515-S116学科分类号：080202硕士学位论文气动人工肌肉驱动的三自由度转动并联机构研究研究生姓名顾宝彤学科、专业机械电子工程研究方向柔性驱动器指导教师刘凯副教授赵东标教授南京航空航天大学研究生院机电学院二О一五年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofMechanicalandElectricalEngineeringASpherical3-DOFParallelMechanismDrivenby

2、PneumaticMuscleActuatorAThesisinMechanicalandElectricalEngineeringbyGuBaotongAdvisedbyAssociateProf.LiuKaiandProf.ZhaoDongbiaoSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2015承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人

3、已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：摘要气动人工肌肉是由纤维包裹着的橡胶管和连接在两端端盖组成，当充入压缩空气后，气动人工肌肉在轴向上收缩径向上膨胀，与此同时产生收缩力。与电器和液压驱动器相比，气动人工肌肉驱动器响应迅速、功率/质量比高、功率/体积比高，并且具有类似于生物体肌肉的柔顺性。正是由于这些优势，气动人工肌肉

4、驱动器应用广泛，尤其在恢复治疗和机器人运动控制领域,所以气动人工肌肉驱动器的研究对于其应用具有重要推动作用。本课题以气动人工肌肉及其驱动控制的并联机构作为研究内容，主要工作如下：首先，研究了气动人工肌肉工作原理，建立了基于功能原理的人工肌肉静态模型和气动人工肌肉BP神经网络静态模型，搭建了静态实验台，并通过实验结果比较了两种模型的优缺点。然后，根据三元素现象模型（收缩系数、弹性系数和阻尼系数），研究了FESTO公司DMSP系列的气动人工肌肉动态特性，通过实验表达了这三个参数与气压和负载关系，结果表明收缩力系数与气压为线性关系，弹性系数与负载在高压区为线性关系，阻

5、尼系数在高压区基本不变。最后，根据要求设计了气动人工肌肉驱动的三自由度转动并联机构，研究了该运动平台运动学逆解，给出了运动平台在转动过程中力矩平衡条件，推导了该并联机构速度和加速度关系，建立了基于凯恩法的动力学模型，搭建控制实验台，根据功能原理研究的静态模型构建控制系统，通过实验结果比较了开环和闭环两种控制效果。本课题研究了气动人工肌肉静态模型、动态模型和其驱动的并联机构，本文对人工肌肉有了更深入的理解，提高了人工肌肉控制精度，加速了气动人工肌肉驱动机构的应用。关键词：气动人工肌肉，静态模型，现象模型学，并联机构IABSTRACTPneumaticmusclea

6、ctuator(PMA)ismainlymadeofrubbertube(thebladder)attachedtoendcapsandsurroundedbybraidedfibrousshell.Whenthebladderispressurized,PMAshortensinaxisandexpandindiameter,whichgeneratescontractileforcesimultaneously.Comparedwithelectricandhydraulicactuators,PMAprovidessuperioradvantagesofq

7、uickresponse,highpower/weightandpower/volumeratiosandnaturalflexibilitysimilartobiologicalmuscles.Asthesebenefitsshownabove,PMAhasvariousapplicationsespeciallyinrehabilitationtherapyandroboticmotioncontrol,sotheresearchofPMAisimportanttoit’sapplication.Thepurposeofthispaperistostudyt

8、hecharacteri