基于生物肌肉的仿生驱动装置研究

摘要

随着驱动装置在工业化生产和科研中的广泛应用,驱动装置机构复杂,效率较低和灵活性不够的缺陷表现明显.为了克服现有驱动装置的缺点,设计具有和生物驱动装置棗骨骼和肌肉棗相类似的仿生驱动装置已经成为当前一个热点研究领域.该文正是针对这一发展趋势,针对现有仿生驱动装置各自存在的优缺点,结合当前较为成熟的技术,对驱动装置构成、精度控制、仿生肌肉的选取等几个关键问题进行研究,并且提出了自己的技术方案.该文首先介绍了当前广泛使用的各种驱动装置,比较了各种驱动装置的优缺点,并重点对应用广泛的使用电力作为驱动能源的驱动装置进行了介绍,将仿生驱动装置与其他驱动装置相比较,分析了仿生驱动装置具有的优点和应用前景.接着讨论了与生物肌肉工作特性相仿的几种材料和技术,对各种材料和技术的优点缺点进行了详细的比较,从中选取气动人工肌肉作为该文设计仿生驱动装置的驱动器,并分析了气动人工肌肉的工作特性,对气动人工肌肉工作时受哪些因素控制进行了详细的分析.随后分析了人体上肢组成和工作特性,在此基础上建立了仿生驱动装置模型,解释了该装置模型的机构组成和运动特性,并在模型基础之上建立了一个简化运动模型,通过气动人工肌肉内气压变化来实现驱动装置的运动,同时还对气动人工肌肉形变量如何影响驱动装置工作进行了理论上的分析,解释了其在计算上的复杂性.然后对实现驱动装置运动所需要控制的控制变量进行了分析,提出了控制这些变量的解决方法.最后根据简化模型,分析了气动人工肌肉在三种不同气压变化幅度下,整个驱动装置的控制精度和可以实现的角度,并使用MATLAB对这三种情况分别仿真,对仿真结果进行分析,得到驱动装置运动的不同精度范围,为以后实际控制驱动装置的动作提供了依据.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1.1引言

§1.2现有驱动装置的特点

§1.2.1现有驱动装置及其特点

§1.2.2电机驱动装置优缺点

§1.2.3现有驱动装置的不足之处

§1.3基于肌肉仿生的驱动装置国内外研究现状

§1.3.1肌肉的工作情况研究

§1.3.2制作仿生肌肉驱动器的材料或技术及应用实例

§1.4论文选题来源和主要研究工作

§1.4.1选题来源

§1.4.2新型驱动装置的应用领域

§1.4.3选题意义

§1.4.4论文的主要内容

第二章仿生肌肉驱动器研究

§2.1驱动器制作材料和技术选择

§2.1.1需求分析

§2.1.2驱动器制作技术和材料比较选择

§2.2生物肌肉的工作特性

§2.3 MCKIBBEN人工肌肉的描述和工作特性

§2.3.1 McKibben人工肌肉的发展

§2.3.2 Mckibben人工肌肉组成和工作原理

§2.3.3 Mckibben人工肌肉驱动特性

§2.4 MCKIBBEN气动人工肌肉的优缺点

§2.5本章小结

第三章驱动装置整体设计与动力学分析

§3.1人体上肢的驱动模型

§3.1.1人体上肢的骨骼构造

§3.1.2人体上肢肌肉构造

§3.2仿生驱动装置关键技术分析及模型建立

§3.3仿生物肌肉驱动装置动力学分析

§3.3.1驱动装置模型坐标系的建立

§3.3.2驱动装置模型工作阶段

§3.3.3驱动装置动力学分析

§3.3.4驱动装置模型工作阶段

§3.4本章小结

第四章仿生肌肉驱动器的控制研究

§4.1系统控制的主要对象

§4.2仿生肌肉驱动器控制

§4.3仿生驱动装置控制

§4.4本章小结

第五章系统仿真结果及分析

§5.1系统

§5.2系统的精度分析

§5.2.1驱动装置α角数学推导

§5.2.2系统仿真

§5.2.3仿真结果分析

§5.3本章小结

第六章总结与展望

§6.1本文研究的主要成果

§6.2待改进之处

§6.3仿生物肌肉的驱动装置展望

参考文献

致谢

西北工业大学学位论文知识产权声明书及西北工业大学学位论文原创性声明