一种气动人工肌肉作动器参数标定方法

摘要

本发明涉及一种气动人工肌肉作动器参数标定方法，包括(1)测量PAM在n个气压p

说明书

技术领域

本发明涉及一种气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)作动器，尤其是涉及一种气动人工肌肉作动器参数标定方法。

背景技术

硅胶管和纤维套之间一般难以完好配合，而且硅胶管与气动接口之间装配时也容易存在一定间隙。在充气后，硅胶管先膨胀一定程度，各种间隙消失后才会将气动力传递给纤维套，气压主要用于克服硅胶管的弹性变形。因此，在气压-最大输出力关系曲线(直线)上可观察到气压不为零，而最大输出力为零的现象，这与理论模型不符，可称为“死区”。通常的做法求得克服“死区”所需的气压值，在实际使用时，先给PAM施加这个气压值，然后将在此基础上增加的气压值作为模型的输入，预测之后各种收缩比下的输出力。然而，这种做法并不符合实际产生“死区”的原因，因此使随后的输出力预测误差较大，影响PAM的控制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种气动人工肌肉作动器参数标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种气动人工肌肉作动器(PAM)参数标定方法，所述的标定参数包括初始无输出力的收缩比λ₀和编织角度θ，所述的标定方法具体包括以下步骤：

(1)在PAM未充气下，收缩比λ＝0的情况下将其固定到测力仪器上，对其充气，由于测力仪器的夹持使λ＝0；测量PAM在n个气压下的最大输出力，记为f_max,i，其中i＝1,2,3,…，n；将f_max,i和气压p_i使用最小二乘法进行拟合，拟合出的函数为f_max,i＝ap_i-b，其中a、b为正的常数；基于f_max,i-p_i拟合直线的斜率和理论模型f_max,i＝f(0,p_i,θ)斜率相符求得编织角的初值θ₀；

(2)使用模型求解由纤维松弛导致的初始无输出力变形λ₀；采用试凑法，给定一个λ₀,计算编织角为θ₀的理论模型在变形为λ₀时的做动力，即f_λ0,i＝f(λ₀,p_i,θ₀)，同时计算出理论模型在变形为零的情况下的最大输出力，即f_0,i＝f(0,p_i,θ)，令初始变形造成的输出力降低值为Δf_i＝f_0,i-f_λ0,i，接下来假定不存在松弛和间隙的情况下该PAM在各个气压下的最大输出力为将所有的再次作为p_i的函数进行最小二乘法拟合，如果得到的函数截矩小于设定第二阈值，即得到函数则确定了初始变形λ₀的值，反之，继续假定一个λ₀重复步骤(2)；

(3)用拟合曲线的斜率再对纤维角度θ进行标定，假定一个角度θ，在各个压力p_i下，当使用理论模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)计算得到的f_0,i-p_i曲线斜率与步骤(2)中斜率差值小于设定第三阈值，确定此时的编织角值为θ₁，反之，执行步骤(4)；

(4)由于编织角θ发生了调整，因此理论模型中的θ也发生了变化，故再次按第(2)步重新计算λ₀，其中的θ₀取值为θ₁，按第(3)步重新计算θ，如此迭代，当本轮步骤(2)中得到的各个与上一轮步骤(2)中得到的各个的差值小于设定第四阈值，停止计算，得到该PAM的初始变形λ₀和编织角θ。

所述的步骤(1)拟合出的函数形式的意义为气压未等于零时最大输出力为零，气压力用于抵消纤维张紧前PAM中材料的变形。

所述的步骤(1)基于f_max,i-p_i拟合直线的斜率和理论模型f_max,i＝f(0,p_i,θ)斜率相符求得编织角的初值θ₀具体为：

假定一个θ值，用理论模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)，求得各个p_i下的输出力f_0,i，如果p_i-f_0,i曲线的斜率和a的差小于设定第一阈值，则将此时的θ值作为编织角的初始值θ₀。

充压后收缩的PAM作动器输出力f与收缩比λ、内外气压差p、纤维编织角θ有关，模型的函数形式为：

f＝f(λ,p,θ)。

所述的λ＝(L₀-l)/L₀，l为收缩过程中气动人工肌肉的某时刻的长度，L₀为没有气动压力和外力作用下的PAM的长度。

与现有技术相比，本发明进行PAM的无做动力输出的初始变形和纤维编织角的标定，从而修正PAM作动器在行程范围内的输出力模型，从而解决了气动人工肌肉作动器中普遍存在的纤维松弛、装配间隙和纤维编织角误差的问题。

附图说明

图1为最大输出力的处理曲线图；

图2为各气压下输出力和收缩比关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

充压后收缩的PAM作动器输出力f通常与收缩比λ、内外气压差p、纤维编织角θ和其他PAM本身材料属性有关，不考虑本身材料属性的影响，f为前3个参数的函数，即

f＝f(λ,p,θ)

其中λ＝(L₀-l)/L₀，l为收缩过程中气动人工肌肉的某时刻的长度，L₀为没有气动压力和外力作用下的PAM的长度

理论上λ为0时的输出力最大，但由于纤维松弛和装配间隙的原因，当气动人工肌肉产生一定变形后，才有力输出。由于存在这个初始变形，纤维的角度较初始状态下也发生了变化，使最大输出力小于理论值，使实际输出与理论值存在误差。另外，纤维编织角度在制造时也存在误差，也需要标定。

初始变形比λ₀和编织角度θ的标定过程如下：

(1)在PAM未充气下，λ＝0的情况固定到测力仪器上，对其充气，仪器的夹持使λ＝0。测量PAM在n个气压下的输出力，也就是相应的最大输出力，记为f_max,i(i＝1,2,3,…，n)，理论上该力为气压的线性函数，且气压为零时最大力为零。使用最小二乘法拟合该函数。由于存在纤维的松弛和间隙现象，因此拟合出的函数为f_max,i＝ap_i-b，如图1中所示，其中a、b为正的常数。该函数形式的意义为气压未等于零时最大输出力为零，气压力用于抵消纤维张紧前PAM中材料的变形。采用试凑法求编织角的初值，假定一个编织角θ，用函数f_0,i＝f(0,p_i,θ)，求得各个p_i下的输出力f_0,i，如果p_i-f_0,i曲线的斜率和a的差足够小，则将此时的θ值作为编织角的初始值θ₀。

(2)使用模型求解由纤维松弛导致的初始变形λ₀。采用试凑法，给定一个λ₀,计算理论模型在变形为λ₀时的输出力，即f_λ0,i＝f(λ₀,p_i,θ₀)，同时计算出理论模型在变形为零的情况下的最大输出力，即f_0,i＝f(0,p_i,θ₀)，令初始变形造成的输出力降低值为Δf_i＝f_0,i-f_λ0,i，接下来假定不存在松弛和间隙的情况下该PAM在各个气压下的最大输出力为将所有的再次作为p_i的函数进行最小二乘法拟合，如果得到的函数截距足够接近于零，即得到函数则确定了初始变形λ₀的值，反之，继续假定一个λ₀重复上述过程。

(3)再对纤维角度θ进行标定，假定一个角度θ，在各个压力p_i下，当使用理论模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)计算得到的f_0,i-p_i曲线斜率与步骤(2)中曲线斜率足够接近后，确定此时编织角的值θ₁，反之，继续重复本步骤求解编织角θ。

(4)由于编织角θ发生了调整，因此理想输出力模型中的θ也发生了变化，故再次按第(2)步重新计算λ₀，第(2)步中的θ₀取值为θ₁，按第(3)步重新计算θ，如此迭代，当所得与上一轮计算的足够接近后，停止计算，得到该PAM的初始变形λ₀和编织角θ。

对某一气压p_i和测量收缩比λ下的输出力模型为f_λ,p＝f(λ+λ₀,p,θ)，总收缩比λ+λ₀和输出力f_λ,p关系曲线及λ₀如图2所示。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。