柔性气动球关节的设计和控制研究

摘要

该论文研究了一种新型的气动执行器—柔性气动球关节.相对于一般的执行器,柔性球关节具有安全可靠、柔性、结构简单等许多优点.首先介绍了当前一种新型执行器—气动驱动器的研究状况,提出了柔性气动球关节,介绍了气动球关节的原理,建立并分析了其静态和动态模型.针对气动球关节运动的特点提出了一种姿态传感系统,对该传感系统的原理和结构作了分析.设计和制作了气动驱动器的原形,建立实验系统,进行了一系列的静态和动态实验.球关节系统开环动态响应无超调,上升速度较慢,通过采取数字PID控制、模糊控制以及模糊PID控制算法能达到比较好的控制效果.

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章引言

1.1研究背景

1.2相关研究的现状

1.2.1 McKibben人工肌肉模型

1.2.2褶皱式人工肌肉

1.2.3 FMA

1.2.4弯管驱动器

1.3研究的意义和内容

1.4本论文对后续研究的贡献

第二章结构原理、设计和实验系统

2.1柔性气动球关节

2.1.1弹性壳体

2.1.2球关节

2.2柔性气动球关节的姿态传感系统

2.2.1传感系统结构

2.2.2变形换算

2.3气动比例阀

2.3.1结构原理

2.4数据处理和分析系统

2.4.1 C++Builder环境下的实时控制系统开发

2.4.2使用Matlab C/C++Math Library

2.4.3对数据采集卡的编程

2.4.4 Windows环境下的精确定时

2.5实验系统

第三章静态建模、仿真和实验研究

3.1橡胶的弹性

3.2静态系统建模

3.3静态仿真与实验

3.3.1静态纯伸长实验

3.3.2静态复合变形(伸长、弯曲、偏转)实验

第四章动态建模和实验研究

4.1动态建模

4.2关节的开环阶跃响应

第五章控制系统设计和实验

5.1数字PID控制

5.1.1各环节的控制作用

5.1.2 PID控制的效果及分析

5.2模糊控制

5.2.1单变量模糊控制系统

5.2.2二维Mamdani模糊控制器

5.2.3模糊控制算法的实现

5.2.4模糊控制的效果及分析

5.3模糊PID控制器

5.3.1模糊PID的控制思想

5.3.2 Sugeno模糊控制器

5.3.3模糊PID控制的效果及分析

第六章总结和展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢