七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现

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1、浙江理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：朱红轧日期：少，7年多月哆同●I■■■I■，■I■I，r浙江理工大学学位论文版权使用授权书{Y19601IIIfrlIJJIrIllrlflffllrfillI

2、IIrlff2iiirfl4lj卜学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工大学可以将本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和汇编本学位论文。本学位论文属于学位论文作者签名：同期：)oI／年岁月保密口，在不保密√。艇如陟明日1年解密后使用本版权书。L，指导教师签名：彳多丐／Y醐一l『¨月7日七自由度气动肌肉机械手机构设计及运动控制实现Me

3、chanismDesignandMotionControlRealizationofSevenFreedomsRoboticArmDrivenbyPneumaticArtificialMuscles浙江理上人学硕士学位论文摘要随着工业机械化和自动化的发展以及气动技术本身的优点，气动机械手已经广泛应用于生产自动化的各个行业。气动人工肌肉作为一种新型的气动执行元件，具有结构简单、功率／自重比大、柔顺性好等优点，已经在仿生机器人、仿生医学、服务机器人等领域得到了广泛的应用。气动肌肉驱动的机器人手臂是一

4、类具有良好柔顺性能的机器人手臂，在众多领域具有突出的优势。在气动肌肉驱动的机器人手臂系统中，机械手臂关节转动调节、位置控制、远程控制等是其中最为重要的关键技术问题。本文以原有气动肌肉机械手臂为背景，改进了机械手臂，并对气动机械手臂的关键技术进行了研究，并利用实验对研究结果进行了详细的验证。本文的主要工作包括：结合实测数据，并综合考虑气动人工肌肉端部影响、橡胶弹性力和橡胶筒与纤维层之间摩擦力等因素，给出输出力、压力和肌肉长度三者之间的关系，提出了一种简单方便的气动人工肌肉数学模型，并采用数值拟合的

5、方法验证了该数学模型的正确性。设计了一种七自由度的气动机械手臂，该手臂包括腕关节、肘关节和肩关节。其中，腕关节、肘关节采用虎克铰来实现机械手部的上下、左右移动和前臂的弯转、扭曲运动，肩关节采用分离的三自由度形式来实现整个手臂旋转、屈展和抬升运动。通过运动仿真验证了机构的合理性，得到了手臂各关节的理论运动角度。对该手臂进行了运动学分析，得出了关节转角和术端之间的运动学解。采用PID控制器对关节进行了闭环控制研究，并通过实验证明了PID控制器的可行性和有效性。但PID控制关节的响应时间太长不能满足机

6、械手臂轨迹规划的需求，因此又设计了一种具有自适应、自学习功能的单神经元自适应PID控制器来提高关节的控制性能，实验证明该控制器使气动肌肉驱动的关节响应时间短、位置精度高。设计开发了一种基于nRF905无线收发芯片和51单片机的气动机械手臂远程遥控系统，并对远程遥控系统的控制区域和气动肌肉机械手关节控制效果进行了实验研究。实验表明，该远程遥控系统在室内100m区域内能够较好的对气动肌肉机械手臂进行远程控制。关键词：气动人工肌肉；静特性；机械手臂；PID控制；远程控制浙江理T大学硕十学位论文Mech

7、anismDesignandMotionControlRealizationofSevenFreedomsRoboticArmDrivenbyPneumaticArtificialMusclesABSTRACTWiththedevelopmentofindustrialmechanization，automationandtheadvantagesofpneumatictechnology,pneumaticmanipulatorhasbeenwidelyusedinvariousindustr

8、ies．Pneumaticmuscleactuator(PMA)isanewtypeofpneumaticactuator,whichhassimpleconstruction，highestpower／weightratio，goodflexibility．Soithasbroadlyusedintheareaofbiomorphicrobotics，bionicmedicine，servicerobotandSOon．Roboticarm，whichisdrivenbyPMA，hasgood