为了辨识气动肌肉运动过程中的迟滞非线性特性,在气动肌肉位移/气压迟滞特性实验的基础上,分别采用KP模型和多项式模型对其位移/气压迟滞展开了建模研究,并采用递推最小二乘法分别对两种模型中的未知参数进行了辨识,研究不同算子个数和多项式次数对模型建模精度的影响。参数辨识结果发现,KP模型拟合精度明显优于多项式模型,随着算子个数的增加,KP模型的精度显著提高,多项式模型的建模精度也随着多项式次数的增加而提高。

步态控制是四足机器人适应复杂地形的关键,为此对机器人步态进行规划和控制,提出一种步态控制器。针对气动肌肉驱动的四足机器人,根据机器人Denavit-Hartenberg参数建立单腿运动学模型;采用Kimura振荡器设计四足机器人步态的中枢模式发生器(CPG)网络,并改进振荡器输出与关节角度之间的映射关系;采用摆线函数规划机器人足端轨迹,基于生物神经反射机理和虚拟模型控制(VMC),以肢体摆动相位和足端触地信息为状态切换条件,建立沟壑地形自适应步态控制器;搭建Adams与MATLAB联合仿真平台和实物样机测试平台,对步态控制器进行验证。结果表明:改进的CPG步态网络可减小步态参数间的耦合,所生成信号的幅值和相位稳定;基于CPG和VMC的步态控制器能实现机器人对角步态运动,并能跨越宽度为机器人足端宽度的2.50倍沟壑。

目的:为实现气动肌肉机械腿关节角度跟踪,设计两自由度气动肌肉机械腿。方法:对拮抗气动肌肉到关节传动问题,建立关节驱动机构模型;主要分析四连杆膝关节力矩静态特性,设计膝关节力矩到气动肌肉拉力的映射关系。机械腿摆动采用双闭环控制策略,外环为位置PD控制,在控制输出中加上机械腿动力学计算力矩项;内环为气动肌肉拉力控制,设计拉力前馈控制器和误差补偿控制器。结果:进行机械腿摆动控制仿真和实验,关节角度跟踪误差在±3°以内。结论:结果表明关节建模有效,动力学控制可实现机械腿关节角度跟踪。

提出一种改进的编织网气动肌肉静态模型,据此制备编织网气动肌肉。首先通过信赖域算法优化模型与实验的最小二乘误差,求解模型中的经验系数;然后分析初始编织角和橡胶管壁厚两个主要结构参数对编织网气动肌肉性能的影响;最后根据分析结果,优化了结构参数,设计了端部结构,自制编织网气动肌肉。改进的静态模型仿真结果与实验结果一致,证明改进的静态模型提高了精度。对照实验表明,自制的编织网气动肌肉总体性能明显提高,进一步证明了改进静态模型对提高自制编织网气动肌肉工作性能的有效性。

柔顺控制是共融机器人研究的重点。针对级联式气动肌肉肘关节动力学模型,建立了以滑模位置控制为内环、触力导纳控制为外环的控制结构;设计了带干扰观测器的滑模控制器(SMCDO),证明SMCDO算法的收敛性;将环境等效为弹簧模型,设计了外环导纳控制器,并给出控制律。搭建实物测试平台,分别开展阈值力、力安全阈值测试以及碰撞测试,并分析了刚度系数对修正轨迹和接触力的影响。实验结果表明:关节柔顺性与刚度系数相关;SMCDO内环导纳控制精度优于无干扰观测器的滑模控制器内环导纳控制;所设计的控制算法稳定且有效。