气动人工肌肉特性及控制策略研究-论文-万方医学网

气动人工肌肉特性及控制策略研究

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摘要气动人工肌肉（Pneumatic artificial muscle，PAM）是一种新型气动驱动元件，相较于传统的液压缸、气缸、电机等驱动器，具有高功率/质量比、安全环保、柔顺性好等优势，可广泛应用于工业、农业、军事、医疗等领域，以PAM驱动的医疗康复机器人为例，能避免康复治疗过程中对患者造成二次伤害，因此对PAM的研究具有十分重要的社会价值和经济价值。<br>　　本文首先分析了PAM静态特性建模的两种主要的方法，即理论建模和实验数据拟合建模。根据热力学定理得到充气、排气过程中PAM的动态模型和气体通过阀体时气体质量流量关于压力的模型。<br>　　根据建立静态模型所需测量的变量，设计了PAM实验平台，包括主要元器件选型和电气控制程序的设计。对PAM进行了等压特性实验，在OriginPro中通过非线性拟合得到静态数学模型，然后通过等压实验验证了该模型。<br>　　采用高速开关阀和脉冲宽度调制控制通过阀体的气体质量流量，实现了对PAM的位置控制。对PAM系统进行分析并建立了系统的模型，通过系统阶跃响应实验和仿真输出曲线的对比，证明本文建立的PAM静态、动态以及系统模型的合理性。<br>　　最后，针对PAM系统具有非线性的特点，通过编程在实验平台上分别设计了自抗扰控制器（Active disturbance rejection controller，ADRC）以及PID控制器，并进行了一系列对比实验。结果显示本文建立的ADRC相比PID控制器，具有更好的动态性能，响应平滑、快速、无明显时滞，动态信号跟踪精度较高，基本满足工程应用需求。