气动人工肌肉位置控制策略
气动人工肌肉驱动机器人关节研究及应用
摘 要
论文题目： 专究及应用 机械电子工程 李继磊 韩建海
摘
要
随着机器人领域的不断扩展，仿生机器人及服务机器人研究的深入，人们对 安全性好、重量轻的柔性驱动器的需求在不断增长。气动人工肌肉作为一种新型 驱动器，以其出力 - 重量比高、柔性好以及和生物肌肉特性的接近等一些优点成 为具有广阔发展潜力的一种柔性驱动器。它已经在仿人机器人、爬行机器人、助 力装置以及康复器械等方面得到应用。但气动肌肉的广泛研究也就是近十几年的 事情，从基本理论到实际应用仍然有许多问题有待研究和解决。因此，本研究的 主要目的就是通过研究气动肌肉及其驱动关节的特性与控制，为气动肌肉深入广 泛的应用打下坚实的基础。 本文首先综述了气动人工肌肉的研究现状，在此基础上提出一种廉价、结构 简单、体积小的气动人工肌肉的制作方案。介绍气动人工肌肉的工作原理，并制 作了实物模型，建立试验装置并对其性能进行测试。其次，模仿生物关节的工作 方式，采用一对对抗性气动肌肉驱动的关节是气动肌肉最普遍的应用方式，因 此，本文重点进行了关节的建模研究和特性分析。在建模过程中采用的是简化模 型，并通过引入的几个参数，将关节的模型进行简化，得到的关节模型具有一定 的实用价值。在此理论基础上设计了一个单关节的闭环控制系统，通过加入常用 的工业 PID 控制算法来实现单关节的位置控制。 最后，在气动肌肉及其驱动关节的研究基础上，本文设计了一个气动肌肉驱 动的下肢康复训练装置，主要包括机械结构的设计、硬件电路的设计和控制程序 的编制，完成对其性能的检测。该训练装置有两个自由度，可以实现膝关节和踝 关节的控制。试验结果表明，该训练装置具有制作简单，运动范围和强度易调 整，特别是系统的安全性和柔顺性高等特点，有望在实际中得到应用。
两个轴气动人工肌肉机械手的一种新的相平面切换控制方法控制
1. Introduction
The number of people requiring rehabilitation due to bone fracture or joint disease caused by traffic accidents and cerebral apoplexy, and for functional motor problems due to advanced age, numbers several hundreds of thousands worldwide. The application of robotics to rehabilitation is thus of great concern. Functional recovery therapy is normally carried out by medical therapists on a person-toperson basis, but automatic equipment has been put to practical use in physical therapy programs that repeat
TU Diep Cong Thanh and Kyoung Kwan AHN / Journal of Mechanical Science and Technology 21(2007) 1018~1027 1019
muscle was developed by Zobel (Zobel et al., 1999) and Raparelli (Raparelli et al., 2001; 2003) artificial muscle actuators for biorobotic systems by Klute (Klute et al., 1999; 2000; 2002; 2003) a pneumatic muscle hand therapy device by Koeneman (Koeneman et al., 2004) and a human-friendly therapy robot (Thanh and Ahn, 2006a). However, some limitations still exist, such as the air compressibility and the lack of damping ability of the actuator to bring the dynamic delay of the pressure response, causing oscillatory motion. In addition, to execute rehabilitation more efficiently, the robot must adjust its impedance parameters according to the physical condition of the patient. For this purpose, a new technology, an electro-rheological fluid damper (ER Damper), has been applied to the PAM manipulator. Noritsugu and his team used an ER damper to improve the control performance of the PAM manipulator with a PI controller and pulse codemodulated on-off valves (Noritsugu et al., 1994). By separating the region where the damper produces a damping torque to reconcile both damping and response speed under high gain control, the results show that the ER damper is an effective method for use in a practically available, human-friendly robot using the PAM manipulator. Moreover, position control is improved without a decrease in response speed. However, some limitations hamper the technology, since ER Fluid (ERF) requires extremely high control voltage (kV), which is problematic, and in particular, potentially dangerous, only operates in a narrow temperature range (and one unsuitable for PAM manipulators), and exhibits nonlinear characteristics. Because ERF has many unacceptable disadvantages, magneto-rheological fluid (MRF) has been considered an attractive alternative for the advantages listed in Table 1, and has been recently used in human-friendly therapy robots (Thanh and Ahn, 2006b). Though these systems were successful in addressing smooth actuator motion response to step inputs, assuming that two axes PAM manipulator is utilized in therapy robot in the future, which is the final goal of our research, it is necessary to realize fast response, even if the external inertia load changes severely with sinusoidal response without regard to the various frequencies.
气动人工肌肉智能控制系统研究
气动人工肌肉智能控制系统研究冯文婷;苏东海;梁全【摘要】介绍了一种新型的气动执行机构——气动人工肌肉,完成了基于单片机控制的气动人工肌肉位置控制系统,建立了数学模型,控制方法结合了神经网络与PID 方法,PID的程序由单片机实现,神经网络的程序基于C++编写,由Qt平台实现并完成良好的人机交互界面,实现了人工智能控制.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2016(000)004【总页数】2页(P45-46)【关键词】气动人工肌肉;高速开关阀;智能控制【作者】冯文婷;苏东海;梁全【作者单位】沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870;沈阳工业大学机械工程学院,沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TG391.7气动人工肌肉属于一种新型的气动执行机构，它的主体包括编织网、橡胶管、卡箍3部分。
编织网围在橡胶管的外部，卡箍套在人工肌肉的两端。
气动人工肌肉有诸多优点，比如，具有更大的初始拉力和较强的收缩力，反应速度快，更具有柔性，成本较低，制作简单，可以自行设计长度及结构，更符合生产、医疗、生物应用，可以广泛应用在机器人行业、医疗仿生行业。
气动人工肌肉的工作原理是充气时膨胀，其长度缩小，放气时长度伸长，利用这个原理气动人工肌肉可以做往复伸长收缩运动［1-6］。
气动人工肌肉在负载不变的情况下，其长度大小由相对压力决定，相对压力越大，则气动人工肌肉的长度越小，其数学关系如下：式中：L为气动人工肌肉的长度；P为相对压力；F为外界负载；n为纤维圈数；b 为纤维长度。
如图2所示，通过气动人工肌肉的数学模型，可以看出，气动人工肌肉为强非线性系统，由于气体的可压缩性以及其特殊的材料导致，必须设计相应的控制器来改进气动人工肌肉的非线性控制。
本项目的实验台的搭建主要分为气动执行系统、下位机控制系统、上位机控制软件。
气动执行系统主要包括气动人工肌肉、位移传感器、重物、实验台、高速开关阀、钢丝绳（如图3）。
A0087气动人工肌肉驱动器的动态位置跟随测控技术研究
60 目标 响应
50
40
m 30 m/ 移 位 20
10
0
0
5
10
15
20
25
时间/s
图 10 5kg 负载时 0.1Hz 正弦波跟随响应曲线
在图 10 和图 11 中，可以看出实际的跟随 曲线与目标曲线相比，在 0.1Hz 时的幅值误差 为 6%左右，而在 0.2Hz 时的幅值误差为 10%左 右，都存在大约 15%左右的相位滞后误差，随 着频率的提高，幅值误差有所增加。但是，对
(2)电器控制：包括实际产品之控制原理图（包括用几种主流 PLC 搭建的系统，如西门子、欧 姆龙、三菱、光洋、AB 等）及相关学习资料，智能控制、电力电子等电子书和其他一些资
网上电子资料集：
料(源码、仿真软件等)； (3)机械类：包括机械工程图（工厂加工可用）、三维模型、设计实用电子手册、软件等 (4)计算机软硬件方面、数学算法方面等电子书； (5)现今常用编程语言软件开发之功能模块程序源码、学习视频、电子书（手册）、游戏开发 相关源码与电子书等[C#/c++/JAVA/Flex//php/Matlab/labview /python/openGL...]还有很 多移动设备开发源码； (6)几百个实用电路原理图、单片机、嵌入式等项目程序源码； (7)各种应用软件（机械绘图及建模、计算机编程、管理、图像处理等）安装包；程序编制常 用 dll 等 (8)其它相关资料[可以邮件咨询我获取]
然，下面列出的不全，有其它需要可咨询我。
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------(1)智能、工业机器人、足球机器人、康复医疗机器人等论文、电子书、开发工具及程序源码 等；
气动人工肌肉驱动的仿人腿关节运动控制研究的开题报告
气动人工肌肉驱动的仿人腿关节运动控制研究的开题报告一、研究背景随着机器人技术的快速发展，仿人机器人逐渐成为研究热点。
仿人机器人的发展与普及是未来机器人技术发展的趋势，因此仿人机器人的研究将会成为机器人领域未来的重要研究之一。
仿人机器人目前应用广泛，例如制造、服务、医疗等领域，为人类社会的发展做出了重要的贡献。
腿是仿人机器人中最重要的组成部分之一，人们通常用腿来传递身体的负载和运动。
因此，仿人机器人的腿部设计对其正常运动和机器人整体的性能具有很大的影响。
气动人工肌肉是已知的最轻、最紧凑的人工肌肉之一，并且可以模仿自然的肌肉强度调节。
在仿人机器人中的应用，气动人工肌肉可以通过控制气压，快速和均匀地实现腿节的弯曲和伸展，避免了机械传动系统的柿子和迟滞。
同时，气动人工肌肉显著减少了腿的质量，并且在安装和维护方面具有更高的便利性。
因此，本研究的目标是利用气动人工肌肉驱动模块，实现仿人腿关节的运动控制，并开发一种高效的机器人腿部控制系统，以提高仿人腿部的运动精度和稳定性。
同时，该研究将为气动人工肌肉在仿人机器人中的广泛应用提供技术支持。
二、研究内容针对以上研究目标，本研究将从以下三个方面进行研究：1.气动人工肌肉驱动机械腿关节的设计和制造设计和制造能够与气动人工肌肉驱动完美匹配的机械腿关节，并实现腿部的弯曲和伸展运动。
机械腿关节应该具备高精度、低噪音、高稳定性等特点，以满足仿人腿部运动的需求。
2.仿人机器人腿部控制系统的设计和实现设计并实现可靠的仿人机器人腿部控制系统，并实现与气动肌肉驱动机械腿关节的精确协调。
此外，还需要研究基于传感器反馈的控制算法，以提高仿人机器人腿部控制的精度和稳定性。
3.仿人机器人腿部的运动测试和分析通过对仿人机器人进行运动测试和分析，评估气动人工肌肉的运动性能以及设计的腿部控制系统的效果。
同时，通过与传统机械驱动系统进行比较，分析气动人工肌肉驱动系统的优势和不足，为气动人工肌肉在机器人工程领域中的应用提供支持。
气动人工肌肉及其在双足机器人中的应用
研究学者在Chou理想模型的基础上对模型进行了修改 ，即
F ( , p) p[ A(1 )2 B]
式中：
(2)
ε
气动人工肌肉的收缩率：
L0 L L0
3 D 2 A 与气动人工肌肉有关的常数： A 4 tan 2
B 与气动人工肌肉有关的常数： B
D2
4sin 2
模型的基础上建立了相应的改进模型。
• Chou的理想模型 20世纪90年代，美国的Chou和Hannaford根据热力学第一定律的 能量守恒原理，假设气动肌肉是工作在理想状态下，即气动肌肉在运 动过程中没有能力损失，建立了气动人工肌肉的理想模型。
（1）气动人工肌肉无限长； （2）纤维刚度足够大，气动人工肌肉的在工作过程中纤维无伸长； （3）忽略橡胶的弹性； （4）忽略橡胶与编织网的摩擦；
Fig. Various types of PAMs: (a) McKibben Muscle/Braided Muscle, (b) Pleated Muscle, (c) Yarlott Netted Muscle, (d) ROMAC Muscle and (e) Paynter Hyperboloid Muscle.
正是由于现有驱动装置存在上述的种种弊端，科研人员一直没有停止 研制新型驱动器的研究工作，以克服现有驱动装置的种种弊端。
• 对于仿生机器人的驱动 ：
1．电机、气缸的刚性较大，不能良好的模拟生物的柔性运动； 2．电机需要齿轮等传动装置将旋转运动转为直线运动，装置较多，效率 降低；气缸的工作状态有限；液压驱动器的体积过大； 3．仿生机器人的未来发展方向是微小型化，对于驱动器的要求也必然是 微小化，而电机、气缸和液压驱动器则难以达到这一要求；
基于气动人工肌肉几何模型的灵巧手自适应跟踪控制
图2 气动人工肌肉几何模型 控制系统模型两根气动人工肌肉气压的大小变化，导致气动人工肌肉长度的伸缩[11]，从而驱动关节转角的变化：122l lR−= 当两根气动人工肌肉拉力大小不同时，对关节分别所产生的扭矩之差驱动关节旋转，所产生的扭矩大小为：222212122233114l l b R p p n b b π=−−−联立式（3）可得：()222221221221c sin 24π33()110l l l b Rml mgl R R R n l l l l p p b b ∆∆∆++− −∆ +∆ −−−=设定两根气动人工肌肉的初始气压与初始长度相同，p 0和l 0，这样就将多输入系统转化为单输入系统简化了控制器，便于操作与计算。
将设定的气动人工肌肉的初始条件代入式（8）可得式020020 l l l l lp p p p p=+∆=−∆=+∆=−∆ ()()301122122323112212232293326π3326p l x x c gR x ce r x mll R R n x x c gR c x ce r x ml l R R u δαθδα∧=−+−+−+=−+−++−+ ==图3 跟踪状态收敛情况图4 阶跃响应曲线24参考文献[1]Lilly J H，Yang L. Sliding Mode Tracking for Pneumatic MuscleActuators in Opposing Pair Confifiguration[J].IEEE Transactions on Control Systems Technology，2005，（4）：550-558. [2]F Daerden，D Lefeber，P Kool. Using Free Radial Expansion：Pneumatic Artifificial Muscles to control a 1DOF robot arm[C]// Proceedings of the First International Symposium on Climbing and Walking Robots，1998：209-214.[3]E Kelasidi，G Andrikopoulos，G Nikolakopoulos，et al. ASurvey on Pneumatic Muscle Actuators Modeling[J].Journal of Power and Energy Engineering，2011，（8）：1442.[4]谢胜龙，刘海涛，梅江平，气动人工肌肉迟滞-蠕变特性研究现状与进展[J].系统仿真学报，2018，（3）：809-823.[5]M A Oliver-Salazar，D Szwedowicz-Wasik，A Blanco-Ortega，et al. Characterization of Pneumatic Muscles and Their Use for the Position Control of a Mechatronic Finger[J].Mechatronics，2017，（42）：25-40.[6]CP Chou，BHannaford. Measurement and Modeling of McKibbenPneumatic Artificial Muscles[J].IEEE Trans Robotics & Automation，1996，（1）：90-102.[7]刘昊，王涛，范伟，等.气动人工肌肉关节的自抗扰控制[J].机器人，2011，（4）：461-466.[8]张道辉，赵新刚，韩建达，等.气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制[J].机器人，2018，（5）：1-10.[9]王杨，张强，肖晓晖.基于鲁棒建模的气动人工肌肉驱动仿生关节的轨迹跟踪控制[J].机器人，2016，（2）：248-256. [10]谢胜龙，梅江平，刘海涛.McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势[J].计算机集成制造系统，2018，（5）：1065-1080.[10]陈为胜，李俊民.一类非线性时滞输出反馈系统的自适应控制[J].控制理论与应用，2004，（5）：844-847.[11]Jonathan P King，Luis E Valle，Nishant Pol，et al. Design，Modeling，and Control of Pneumatic Artificial Muscles with Integrated Soft Sensing[C].Singapore，2017.[12]王斌锐，沈国阳，金英连，等.基于干扰观测器的级联气动肌肉肘关节滑模控制[J].兵工学报，2017，（4）：793-801. [13]李少远，陈增强.智能控制的新进展（Ⅰ）[J].控制与决策，2000，（1）：1-5.[14]A Hildebrandt，O Sawodny，R Neumann，et al. CascadedControl Concept of a Robot with Two Degrees of Freedom Driven by Four Artificial Pneumatic Muscle Actuators[C]//American Control Conference，2005：680-685.[15]TU Diep Cong Thanh，Kyoung Kwan Ahn. Nonlinear PIDControl to Improve the Control Performance of 2 Axes Pneumatic Artificial Muscle Manipulator Using Neural Network[J].Mechatronics，2006，（16）：577-587.4 结论为提升电磁灶的能效，从线盘的参数与结构方面进行改进，对优化后的IGBT进行能效测试，实验表明，未出现打折的波形图能效有所提升，提升将近1%。
气动双体人工肌肉结构及力学特性分析
气动双体人工肌肉结构及力学特性分析武广斌;郑永永【摘要】研发了一种气动双体人工肌肉,可实现轴向伸长及两个方向的弯曲.进行了静力学实验研究,搭建了静力学实验台,对双体人工肌肉轴向伸长进行了实验.应用Matlab拟合功能对实验结果分析,得到了双体人工肌肉轴向伸长的经验模型.该经验模型表明双体人工肌肉轴向伸长量可达肌肉本体长度25％.【期刊名称】《吉林化工学院学报》【年(卷),期】2016(033)003【总页数】3页(P53-55)【关键词】气动;人工肌肉;力学特性;经验模型【作者】武广斌;郑永永【作者单位】北华大学工程训练中心,吉林吉林132013;北华大学机械工程学院,吉林吉林132013【正文语种】中文【中图分类】TP391气动人工肌肉具有适应能力强，柔性好，噪音低，质量小，能源清洁[1]易维修等特点，国内外学者广泛的将其应用在机器人仿生领域.目前所研发的人工肌肉种类很多，从其结构、特性、控制方法上可分为五种[2]：气动轴向伸长型[3-4]、气动回转型[5]、气动三自由度型[6]、径向膨胀型[7-8]、定向弯曲型[9].每种类型均在气动人工肌肉研究上有丰硕的成果.以上五类人工肌肉结构不同，工作原理相似.依靠压力气体或液体使囊体形变，产生的作用力作为驱动力[10].双体人工肌肉结构紧凑、运动灵活具有良好的发展空间.本文进一步从结构上改进气动人工肌肉[11]，研发了双体人工肌肉，对其进行了实验研究.1.1 双体人工肌肉结构及工作原理如图1双体人工肌肉是由上下连接盘将两根气动人工肌肉并联组成在一起，人工肌肉弹簧为左旋和右旋各一个，为非对称结构.并联结构设计，解决了伸长型气动人工肌肉在轴向伸长时端面扭转现象，且并联机构可增加双体人工肌肉刚度.压缩气体从两个气动接头通入到橡胶管内，由于橡胶管外侧弹簧的约束作用限制了，橡胶管的径向膨胀，最终双体人工肌肉轴向伸长.当压缩气体从其中一个气动接头通入橡胶管内时，由于另一侧气动人工肌肉的约束作用，双体人工肌肉向未充气一侧弯曲.1.2 双体人工肌肉轴向静力学模型文献[11]中单体人工肌肉轴向变形过程中假设橡胶管横截面不变.当两根气动人工肌肉同时通入相同的压力气体，双体人工肌肉通入压力气体将会产生轴向变形，根据轴向受力平衡图2所示.由受力平衡得：Fp1+Fp2=Fn1+Fn2+Fk1+Fk2通过受力平衡进行了力学分析，得出伸长量与输入气体压力关系为：公式(2)轴向伸长为非线性变化，且公式复杂，若忽略人工肌肉个体差异，则双体人工肌肉伸长量变化公式简化为：式中L：橡胶管原长；ΔL：橡胶管轴向伸长量；D1，D3：橡胶管外径；D2，D4橡胶管内径；E2：橡胶管弹性模量；P=P0-Pw 为压力差；P0输入压力；Pw为外界压力；k=G1d4/8d3n：弹簧刚度；G1：剪切模量；D：弹簧中径；n：弹簧工作有效圈数；d：弹簧丝直径；F0：弹簧预紧力.2.1 实验装置与实验原理实验系统原理图及实验照片如图3～4所示.实验系统能够实时调节双体人工肌肉气囊内的压力值.将实验数据上传到数据处理投影仪JT12A-C的上位机进行存储.在该试验系统中，将双体人工肌肉一端固定，另一端自由放置在投影平台上进行测量，可实现非接触式测量，避免测量力对实验数据造成影响.2.2 实验分析进行实验的双体人工肌肉参数如表1所示.用MATLAB处理数据得到轴线伸长量与拟合数据图5所示.在该条件下其伸长量随着气压增加而成非线性增加.采用Matlab曲线拟合工具分析得出，二次曲线较好的拟合双体人工肌肉非线性伸长特性.拟合方程为ΔL=f3(Δp)=a1Δp2+a2Δp+a3拟合参数a1=51.458；a2=6.609 5；a3=-0.207 29；将双体人工肌肉结构尺寸参数和相应的物理参数，代入理论公式3，利用MATLAB计算得到理论曲线与实验数据对比如图5所示.从实验数据与理论计算曲线的对比情况看，两者趋势相同，说明理论公式能反应变形规律.在双体人工肌肉变形过程中橡胶管横截面面积变化大，理论计算中忽略高次量，是人工肌肉轴向变形非线性产生的主要原因.从图6可得出实验数据小于双体人工肌肉理论数据.压力值在0.3 MPa以下时，理论与实验数据趋势相同，数值相差小.当压力值增大，实验和理论数据之差随之增大.因为压力值增加时，人工肌肉性能非线性变化.且双体人工肌肉所用弹簧分别为左旋和右旋各一个，制作时的不一致性.在双体人工肌肉轴向伸长中两个弹簧互相克制对方扭转、制造误差等原因使得实验数据小于理论数据.研发了新型双体人工肌肉，可直接作为末端执行器应用在机器人技术中，双体人工肌肉柔性、能源清洁能够应用在服务类机器人领域.双体人工肌肉结构可相互抵消单体人工肌肉自身扭转现象.推导了双体人工肌肉伸长理论公式，并与实验数据进行对比.得出了伸长量与输入压力值之间关系.轴向伸长量可达肌肉本体长度25%.理论模型存在局限性，但经验模型为其使用提拱了更确切的静力学模型.是通过实验数据所得，保证了模型精度.。
广西钦州市浦北县第三中学2023-2024学年八年级上学期12月月考生物试题(含答案)
2023年秋季学期阶段性自主评估训练（二）八年级生物学（HS）（时间：60分钟；满分：60分）一、单项选择题（本大题共15小题，每小题2分，共30分。
在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）1．科学家通过组织培养技术制造“胚状体”，以褐藻酸明胶作为包埋介质，填充营养物质，外面用有机膜密封制备成“人工种子”（如图1所示），下列叙述不正确的是（）图1A．“人工种子”外部的薄膜相当于种皮B．胚状体中含有大量分生组织C．填充的营养液相当于玉米种子的子叶D．胚状体在萌发过程中能不断分裂产生新细胞2．在下列结构中与根尖分生区功能相似的是（）A．芽的生长点B．幼叶C．芽轴D．茎中的导管3．某同学把紫色洋葱鳞片叶的表皮细胞分别置于质量分数均为30%的葡萄糖溶液（甲溶液）和蔗糖溶液（乙溶液）中，在显微镜下观察液泡体积随时间变化的情况，并绘制了曲线图（如图2）。
据图判断，下列说法错误的是（）图2A．在乙溶液中，洋葱细胞失水B．在甲溶液中，洋葱细胞先吸水后失水C．在甲溶液中，液泡体积迅速减小后逐步恢复D．在乙溶液中，液泡体积减小到一定程度后不再减小4．无土栽培改变了传统农业，用人工配制的培养液，满足植物对营养、水分等物质的需求。
下列关于无土栽培培养液的叙述，错误的是（）A．培养液的成分与土壤溶液相似B．培养液中要通入适量的空气，以保证植物根正常的呼吸作用C．培养液中要有较多的含氮、磷、钾的无机盐，以满足植物生长的需要D ．培养液的浓度大小不会影响植物对水的吸收5．下列能正确表达光合作用公式的是（）A ．有机物+氧气二氧化碳+水+能量B ．水+氧气有机物+二氧化碳C ．水+二氧化碳有机物（贮存能量）+氧气D ．有机物+二氧化碳水+氧气+能量6．剥掉一圈树的主干树皮，树会慢慢死亡，原因是（ ）A ．叶片制造的有机养料不能由导管向下运输给根部B ．根吸收的有机养料不能由导管向上运输给茎叶C ．根吸收的水分和无机盐不能由导管向上运输给叶片D ．叶片制造的有机养料不能由筛管向下运输给根部7．日常生活中，人们采取的下列措施与其目的不一致的是（ ）A ．水淹后的农田要及时排涝是为了促进根部的呼吸作用B ．准备移栽的茄子秧根部总是带着一个土坨，这是为了避免水分的散失C ．夜晚农民常把塑料大棚掀开一角，使冷空气进入是为了减弱农作物的呼吸作用D ．将大豆与玉米进行套种，能增加土壤中含氮的无机盐8．同学们通过解剖鸡翅来了解运动系统的相关知识，下列与运动相关的叙述，错误的是（ ）A ．每一块骨骼肌的两端附着在不同的骨上B ．关节软骨和滑液使运动更灵活C ．运动需要多块骨骼肌协同配合才能完成D ．消化系统和呼吸系统与运动无关9．古典文学“穿花蛱蝶深深见，点水蜻蜓款款飞。
【CN109814376A】基于非线性拟合网络的气动人工肌肉位移控制系统及方法【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910102576.1(22)申请日 2019.02.01(71)申请人 河海大学常州校区地址 213022 江苏省常州市新北区晋陵北路200号(72)发明人 仲军 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人 丁涛(51)Int.Cl.G05B 11/42(2006.01)(54)发明名称基于非线性拟合网络的气动人工肌肉位移控制系统及方法(57)摘要本发明公开了一种基于非线性拟合网络的气动人工肌肉位移控制系统及方法。
即采用非线性拟合网络对气动人工肌肉进行控制，并将非线性拟合网络算法通过PC机实现，借助AD模块采集系统及DA芯片分别实现输入信号的采集及控制信号的输出，以FESTO公司的气动人工肌肉DMSP -20-180N -RM -CM作为被控对象，完成基于非线性拟合网络的气动人工肌肉控制方法的性能测试。
权利要求书3页 说明书8页 附图4页CN 109814376 A 2019.05.28C N 109814376A1.一种基于非线性拟合网络的气动人工肌肉位移控制系统，其特征在于所述实验系统包括气动人工肌肉、负载、拉丝位移传感器、气压阀、空气压缩机、AD/DA采集卡以及上位机；所述人工气动肌肉上端挂在支架上，下端通过无弹性的绳索与负载相连接，负载的下端与拉丝位移传感器连接，而拉丝位移传感器固定在实验台上，三者保持在一条直线上；气压阀输入端连接空气压缩机，输出端与气动人工肌肉进气口相连接，达到实时控制气动人工肌肉内部压力的大小；AD/DA采集卡分别与气压阀、拉丝位移传感器相连接，实时采集气压与位移的数据，并传输到上位机进行记录与分析。
2.一种基于非线性拟合网络的气动人工肌肉位移控制方法，其特征在于包括如下步骤：(1)、建立权利要求1所述的控制系统，建立非线性拟合网络辨识器和非线性拟合网络控制器；(2)、首先非线性拟合网络辨识器的结构参数被离线调整，同时通过获得最优初始值来避免最开始时间段内的巨大波动；非线性拟合网络辨识器参数会被持续地在线调整，获得更好的气动人工肌肉动力学近似模型；(3)、非线性拟合网络控制器的结构参数根据非线性拟合网络辨识器的曲线信息进行在线调整，调整的准则是使公式e c ＝y ref -y m 最小化；其中y ref 表示参考值；y m 表示非线性拟合网络辨识器的输出；(4)、通过非线性拟合网络控制器的输出u，控制气动人工肌肉精确位移控制系统的实际输出y out 。
基于PSO算法的气动人工肌肉关节PID参数自整定
摘 要: 建立了气动人工肌肉关节的数学模型，采用PID控制率进行控制。为了改善控制效果，采用粒子群算法进行PID 参数寻优。以阶跃响应的超调量、调节时间和稳态误差等加权组成适宜度函数，确定最优控制参数。对采用PSO整定 参数和Z-N整定参数的PID控制进行仿真实验，表明PSO算法整定的参数对人工肌肉关节控制效果有明显改进。 关键词: 气动, 人工肌肉, 自整定, 关节
置角度采用固定的 K p 、 K i 、 K d 参数是控制效果较
差，为了改善控制效果，应该针对不同的设定角度的
对参数进行整定，目前比较成熟的整定方法为
Ziegler-Nichol法。本文将讨论PSO算法在参数自整定 过程中的应用。
主要考虑系统性能指标是系统稳态误差 e(¥) ，
超调量s % ，调节时间 ts 和上升时间 tr ，选择适宜度
粒子群优化算法是近年来发展起来的一种新的
算法，属于进化算法(Evolutionary Algorithm-EA)的 一种。和遗传算法相似，算法也是从随机解出发，
通过迭代寻找最优解，它没有遗传算法的“交 叉”(Crossover)和“变异”(Mutation)操作。算法基 本思想是通过模拟鸟群寻食的过程，追随当前搜索到
q0 2 q0
pD02
)
=
3pl 2 P(
cos2 q0
-l2
)
=
3L2
-l2
P
4l 2 sin 2 q0 pD02
4n2p
（5）式即是人工肌肉的解析数学模型。
下面研究转动形式肌肉关节，设关节转动角度为
q ，两侧气压变化为 Dp ，外侧施加力矩为T f ，转动 半径为 r ，则当系统力矩重新平衡时有：
McKibben型气动人工肌肉研究进展与趋势
收 稿 日期 ：２０１７—０５—０３；修 订 日期 ：２０１７—０８—２３。Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ０３ Ｍａｙ ２０１７；ａｃｃｅｐｔｅｄ ２３ Ａｕｇ．２０１７． 基金项 目：国家 自然科学 基金青 年基金 资助项 目（５１４０５３３１）。Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｉｔｅｍ：Ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，
（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍ ｅｃｈａｎｉｓｍ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍ ｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｇａｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｓ ｏｆ ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ， ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ， ｃｒｅｅｐ， ｃｏｍ ｐｌｉａｎｃｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ， ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍ ｅｎｔｓ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｍ ｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍ ｃＫｉｂｂｅｎ ｐｎｅｕｍ ａｔｉｃ ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ ｍｕｓｃｌｅｓ ａｔ ｈｏｍ ｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ
模 型
Ｆ— ａ－ｒｏ２Ｐ［ａ（１一ｅ） 一 ；
（２）
３
以 一
，ｂ 一
一
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
。
㈤
式 中 ：Ｔ＂ｏ和 Ｌ。分 别 为 气 动 人 工 肌 肉在 初 始 状 态 下 的半 径和 长度 ；ｓ为 收缩率 ；Ｌ 为 气 动人 工 肌 肉充 气 收缩后 的长度 ； 为 编织 角 。式 （２）表 明气 动人 工 肌 肉的拉 力 与 气 压 成 正 比 ，与 收 缩 率 成 非 线 性 关 系 。 实际上 ，该 式与 Ｇａｙｌｏｒｄ模 型式 （１）等 价 ，但 因为 收 缩 率 ｓ比编织 角 更 易 于 通 过 实验 测 得 ，所 以 实 际 应 用 中多采 用 Ｔｏｎｄｕ公 式或其 修 正公式 ｌ２ 。
基于气动人工肌肉仿人机械手臂肩关节的运动控制
V
上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。
关键词： 气动人工肌肉， 仿人机械手臂， 仿人肩关节， 运动控制， Fuzzy-PID 双模控制，气动高速开关阀
II
上海交通大学工学硕士学位论文
ABSTRACT
ON THE MOTION CONTROL OF SHOULDER-JOINT OF THE ROBOTIC ARM DRIVEN BY PNEUMATIC ARTIFICIAL MUSCLES
表11mckibben肌肉与生物肌肉的比较table11contrastofmckibbenpamandbiologymuscle项目生物肌肉力厘米22040牛顿功率重量40250瓦公斤效率4550收缩速度02520秒控制性能水下操作可以适应温度范围0?40?鲁棒性非常好自修复性对抗操作刚性控制能量来源化学能对环境影响产生二氧化碳mckibben气动肌肉100500牛顿5001000瓦公斤32500357秒很好可以30o80o很好无可以可以气动能无不良影响好有可以可以122气动人工肌肉的研究及应用现状气动人工肌肉的研究及应用现状mckibben型气动人工肌肉虽然与普通气缸一样都是一种气压驱动器但由于结构不同其驱动原理也与普通气缸不同它不只具有气压驱动器的一些本质特征而且还具有自己独特的力输出特性
上海交通大学 硕士学位论文 基于气动人工肌肉仿人机械手臂肩关节的运动控制 姓名：洪熠 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：施光林 20090201