基于人工肌肉的仿人手臂关键技术研究

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题名	基于人工肌肉的仿人手臂关键技术研究
作者	张道辉1,2
答辩日期	2018-11-27
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	韩建达
关键词	形状记忆合金气动人工肌肉仿人手臂主动模型控制力与刚度控制
学位名称	博士
其他题名	Reasearch on the Key Technologies in Artificial Muscle-based Humanoid Arm
学位专业	模式识别与智能系统
英文摘要	当前机械臂技术从刚性本体非本质安全、与人非接触及物理空间隔离的现状正朝着柔性本体本质安全、与人紧密协调合作及同一自然空间的人机共融新趋势发展。传统电机、液压等刚性驱动存在功率密度比低、质量大、柔顺性和安全性差等缺点，而新型人工肌肉柔性驱动具有功率密度比高、结构简单、柔顺性和安全性好、类似人体骨骼肌特性等优点。因此，基于人工肌肉柔顺驱动研制轻质、灵活、柔顺、安全、低成本的仿人手臂，可以推动机械臂技术朝着与人共融的新方向发展。然而，人工肌肉材料响应慢、易疲劳、稳定性差，存在强迟滞、蠕变等非线性因素使得难以对其进行建模与控制，人工肌肉固有的柔顺性对仿生关节及仿人手臂系统的控制也带来了新的挑战。本文针对以上问题展开深入研究，主要内容包括人工肌肉主动建模与控制，仿生关节力与刚度控制，以及仿人手臂柔顺控制与抓取规划。具体研究内容如下：首先，针对形状记忆合金和气动人工肌肉的强非线性、迟滞和时变特性造成难以建立精确模型及设计高性能控制器的问题，提出了基于主动模型的控制方法。根据形状记忆合金和气动人工肌肉的物理特性和驱动机制分别建立其数学模型，将由外部扰动、时变参数以及未建模动态引起的不确定性造成的模型差引入到系统的状态方程中，利用联合估计技术对包含模型差的系统状态方程进行在线估计，同时估计出系统状态和模型差。基于在线更新的主动模型设计自适应控制器及其补偿控制策略，来提高对形状记忆合金和气动人工肌肉的控制性能。其次，针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题，建立了一种新的PAM等效弹簧模型以及关节力与刚度模型，设计了一种双输入双输出控制器。PAM拮抗关节系统数学模型复杂且难以精确描述时变的实际系统，关节位置、力和刚度高度耦合，这都给关节力和刚度独立控制带来很大困难。而基于PAM等效模型建立的关节力和刚度模型可以实现对力和刚度解耦，进而由双输入双输出控制器实现对它们的独立控制。以此为基础，通过引入位置PID前馈环建立位置与力的关系，还可以实现对关节位置和刚度的独立控制。最后，针对被动柔顺性的不可控制性和主动柔顺性的过于依赖反馈控制的问题，提出一种主、被动柔顺性相结合的控制策略，将人工肌肉固有的被动柔顺性与基于控制的主动柔顺性相结合，实现仿人手臂与人或环境的安全交互。研制了一款基于人工肌肉的仿人手臂系统，设计无模型自适应阻抗控制器对仿人手臂进行了柔顺控制实验。另外，基于单目视觉开展了仿人手臂抓取物体实验。实验验证了所研制仿人手臂系统的综合性能以及所提出方法的有效性。本文的工作依次从驱动、关节及整个手臂系统三个层面对基于人工肌肉的仿人手臂技术进行了深入研究，为当前机械臂技术所面临的安全性、轻量化及低成本的挑战提供了一条新的解决思路，为后续实现仿人手臂与人共融提供了一定的理论基础和技术支撑。
语种	中文
产权排序	1
页码	126页
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/23650]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
作者单位	1.中国科学院大学 2.中国科学院沈阳自动化研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张道辉. 基于人工肌肉的仿人手臂关键技术研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2018.