外文翻譯系 別 機電信息系 專 業(yè) 班 級 姓 名 學(xué) 號 導(dǎo) 師 機械科學(xué)與技術(shù) 21（2007）1018 ~ 1027兩個軸氣動人工肌肉機械手的一種新的相平面切換控制方法控制摘要康復(fù)機械手的使用已經(jīng)由于功能康復(fù)治療對肢體的需求成為一個日益重要的問題。一種新型的氣動人工肌肉致動器（PAM）–所提供的安全性和流動性援助以執(zhí)行任務(wù)的人類達到日益普及，以及提供一個具有高強度和高功率/重量比，成本低，體積小，便于維修，清潔，隨手可得，廉價的電力來源，等等–已在使用在治療機械手近幾十年來考慮，特別是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空氣可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動態(tài)響應(yīng)延遲，導(dǎo)致振蕩運動能力的缺乏。此外，為了幫助康復(fù)機械手更有效，應(yīng)根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個目的，機械手加入裝有磁流變制動器（MRB） 。一種新的相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形。通過使用制作的兩個軸 PAM機械手實驗證實了該算法的有效性。實驗證明，該機械手的穩(wěn)定性可以不考慮對參考輸入和外部負載條件下的頻率的變化使用高增益控制大大改善，并在不降低響應(yīng)速度，或降低 PAM的操縱器的剛度。?關(guān)鍵詞：氣動人工肌肉；相平面開關(guān)控制；機械手；磁流變制動器1。景區(qū)簡介需要由交通事故和腦卒中引起的骨折或關(guān)節(jié)疾病康復(fù)的人數(shù)，和運動功能的問題，由于年事已高，全世界數(shù)以千計數(shù)百數(shù)。機械手的康復(fù)中的應(yīng)用具有極大的關(guān)注。功能恢復(fù)的治療通常是進行了醫(yī)學(xué)治療師在人的基礎(chǔ)，但自動設(shè)備已經(jīng)投入到物理治療程序重復(fù)過程相對簡單，實用，如連續(xù)被動運動機，步行訓(xùn)練裝置，和用于單軸扭矩機（DOI，1993街等；Al。 ，1994；傅等人，1995） 。本文論述了功能康復(fù)治療，身體康復(fù)的一個重要方面。網(wǎng)格加密治療機已創(chuàng)建（安清，2004；2005年；2005b） 。然而，多關(guān)節(jié)機械手要實現(xiàn)更逼真的運動模式，從而更有效的治療是必要的。這種機械手必須有一個人類使用高安全的。PAM 機械手已被用來構(gòu)建一個兩自由度（DOF）治療機械手。二自由度機械手功能恢復(fù)的治療由氣動肌肉驅(qū)動的開發(fā)是佐貝爾（Zobel 等人。 ，1999）和raparelli（raparelli 等人。 ，2001；2003）的柳巷芳草 biorobotic系統(tǒng)的人工肌肉致動器（柳巷芳草等人。 ，1999；2000；2002；2003）氣動肌肉方面的koeneman（koeneman 治療裝置等人。 ，2004）與人友好的治療機械手（Thanh 和安，2006年） 。然而，仍存在一定的局限性，如空氣的可壓縮性和阻尼的執(zhí)行帶來的壓力動態(tài)響應(yīng)延遲能力的缺乏，導(dǎo)致振蕩運動。此外，實施更有效的康復(fù)，機械手必須根據(jù)病人的身體狀況調(diào)整阻抗參數(shù)。為了這個目的，一個新的技術(shù)，電流變液阻尼器（ER 阻尼器） ，已被應(yīng)用到 PAM機械手。noritsugu 和他的團隊使用 ER阻尼器來改善控制性能的 PAM機械手與 PI控制器和脈沖codemodulated開關(guān)閥（noritsugu 等人。 ，1994） 。通過分離的阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩和阻尼區(qū)域高增益控制下的響應(yīng)速度，結(jié)果表明電流變阻尼器用于實際可用的一種有效方法，人類友好的機械手使用的 PAM機械手。此外，位置控制是無響應(yīng)速度下降的改進。然而，一定的局限性阻礙了技術(shù)，由于電流變液（ERF）要求很高的控制電壓（kV） ，這是有問題的，并在特定的，潛在的危險，只工作在一個較窄的溫度范圍（和一個不適合的 PAM機械手） ，并表現(xiàn)出非線性特征。因為有很多不可接受的缺點電流，磁流變流體（MRF）一直被認為是表1中列出的優(yōu)點是一個有吸引力的選擇，和最近已被用于治療人類友好的機械手（Thanh 和安，2006年） 。雖然這些系統(tǒng)在解決光滑的致動器的運動響應(yīng)的步驟輸入成功，假設(shè)兩個軸 PAM機械手應(yīng)用在未來治療機械手，這是我們研究的最終目標，是要實現(xiàn)快速的響應(yīng)，即使外部慣性負載變化劇烈和正弦響應(yīng)無以不同的頻率。因此，要實現(xiàn)良好的控制性能，一個 MRB裝備的機械手關(guān)節(jié)。相平面使用 MRB切換控制方法提出了跟蹤正弦波形的情況下，和算法的有效性將通過涉及一二軸 PAM機械手實驗證明。實驗結(jié)果表明，該機械手的穩(wěn)定性可以大大改善高增益控制在不考慮頻率的參考和外部條件的變化，并沒有降低響應(yīng)速度和兩個軸 PAM機械手剛度低。2。實驗裝置2.1實驗裝置這兩個軸氣動人工肌肉機械手示意圖如圖1所示。的表1。流變流體相比。圖1。兩個軸氣動人工肌肉機械手示意圖圖2。氣動人工肌肉機械手的工作原理。圖3。實驗設(shè)備的照片。圖4。建設(shè)工作。拮抗人工肌肉和外部負載轉(zhuǎn)動，如圖2所示的結(jié)果之間的壓力差。關(guān)節(jié)角度，1θ 和2θ，與旋轉(zhuǎn)編碼器測量（Metronix，S48—8-3600zo）和反饋到計算機通過一個24位的數(shù)字計數(shù)器板（研華 PCL，833） 。外部慣性負載可以從20變化[ KGF·cm2 ] 40 [ KGF·cm2 ]，200 [ % ]的變化相對于最小慣性負載條件；參考輸入不同頻率的波形（正弦）被認為是。實驗0.4范圍[MPa]環(huán)境壓力和控制軟件下進行的是 C語言編碼。圖3顯示的是實驗裝置的照片。對2.2個特點的 MRB的設(shè)計如圖4所示。轉(zhuǎn)子固定在軸上，可相對于殼體旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和殼體之間的間隙填充 MRF。的 MRB制動力矩可由在其線圈的電流控制。磁流變液的表觀粘度在磁場中的應(yīng)用幾毫秒的時間變化，并在沒有磁場的正常粘度的回報。下面的實驗探討 MRB的特點；測量數(shù)據(jù)是在圖5和表3。MRB 與扭矩傳感器和伺服電機連接系列。在實驗中，轉(zhuǎn)速從100變化[轉(zhuǎn)] 1000 [轉(zhuǎn)]和所施加的電流從0到1 的[ ] [ ]。這些范圍是因為系統(tǒng)的響應(yīng)不達到1000 [轉(zhuǎn)]和最大電流用于 MRB 1 [ ]。圖5顯示了阻尼力矩與輸入電流的變化（a）和（b）轉(zhuǎn)速的 MR制動。從圖5，它是顯然，對阻尼扭矩是獨立的旋轉(zhuǎn)速度和幾乎正比于輸入電流。因此，方程（1）的輸入電流和阻尼轉(zhuǎn)矩的結(jié)核病表3。對測量數(shù)據(jù)。W：轉(zhuǎn)速[rpm]I：目前的應(yīng)用[J].這里，A 和 B是常數(shù)確定使用特點 MRB響應(yīng)曲線。3?？刂葡到y(tǒng)3.1位置控制系統(tǒng)這種 PAM機械手的控制，傳統(tǒng)的 PID控制算法作為本研究的基本控制器。控制器的輸出能在時間域如下表示：以 Laplace變換（2）產(chǎn)量所得的傳遞函數(shù)的 PID控制器：在采樣序列 K可以表示為一個典型的實時執(zhí)行如下：其中 u（k）和 E（k）是控制輸入到設(shè)定點和節(jié)點的輸出之間的控制閥和誤差，分別。此外，使用 MRB是調(diào)和的阻尼和提高的 PAM機械手的控制性能的有效途徑響應(yīng)速度（因為它在加速或減速太高的地區(qū)的作品） 。在這里，s 是拉普拉斯變量，它是由機械產(chǎn)生的扭矩，TC 是恒轉(zhuǎn)矩，KED確定扭矩角速度 θ 比例增益，和 VC是由方程計算的源控制電壓（1）產(chǎn)生TC。阻尼轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相反的手臂。因此，方程（6）低于表明，阻尼器產(chǎn)生的阻尼轉(zhuǎn)矩結(jié)核病。所提出的相平面切換控制方法的結(jié)構(gòu)如圖6所示。3.2傳統(tǒng)相平面切換控制方法圖7顯示了傳統(tǒng)相平面切換控制方法。在區(qū)域中，手臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，一個~ B，C ~ D，如圖 7（a） ，目前是不適用的，而在該地區(qū)（斜陰影區(qū)）B ~ C，D ~ E，目前應(yīng)用于提高更快收斂到期望的角度的阻尼性能。雖然系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)成功順利，它的質(zhì)量下降（與響應(yīng)延長）由于正弦波形失控點參考輸入（C，E 等） 。此外，假設(shè)2軸 PAM機械手利用在未來的治療機械手（我們研究的最終目標） ，它要實現(xiàn)快速響應(yīng)，即使外部慣性負載變化劇烈和正弦響應(yīng)，一個是在發(fā)生的頻率范圍內(nèi)的頻率無關(guān)。3.3個命題的相平面開關(guān)控制算法的新概念阻尼轉(zhuǎn)矩 T B，這是在公式1所示，提高了機械手的阻尼性能。由于阻尼的機械手的轉(zhuǎn)動方向相反的轉(zhuǎn)矩的作用，其加速性能退化。在區(qū)域中的臂的方法所需的角度關(guān)節(jié)角度，O ~ A，B ~ C，D ~ E，F(xiàn) ~ G，在圖 8（a） ，目前是不適用由于高響應(yīng)速度是必需的。在臂通過所需的角區(qū)域，即對角陰影區(qū)的~ B，C ~ D，E ~ F，G 在圖8 ~ H（一） ，電流被施加到改善阻尼性能，從而使臂更快地收斂到期望的角度。要確定是否應(yīng)施加磁場，相平面。圖6。的相平面開關(guān)控制的新概念框圖。圖7。常規(guī)的相平面切換控制方法。圖8（b）用。在相平面上的橫軸線對應(yīng)的關(guān)節(jié)角偏差 E Rθ 所需角度和關(guān)節(jié)角度 θ 之間，與垂直軸對應(yīng)于時間的偏導(dǎo)數(shù)，e de DTθ= =?。每個點的相平面上的一個~ H對應(yīng)于圖8中同樣的字母點（一） 。在這里，與目前應(yīng)用的區(qū)域是由1 1 1 2 h控制（S?） ，H（ S?） ，的梯度圖8。相平面切換控制方法的新概念。圖8線（B） 。阻尼轉(zhuǎn)矩的應(yīng)用在區(qū)域控制為1 h和2 h?？刂圃?MRB應(yīng)用地區(qū)的優(yōu)勢是需要在不降低響應(yīng)速度。提出的控制器的有效性將實驗研究。4。實驗結(jié)果在這項研究中，一二軸 PAM機械手利用相平面開關(guān)控制器，新概念的控制器，和實驗用正弦波作為參考輸入在兩個不同的頻率進行（f = 0.3 Hz 和0.5 Hz） 。兩個外部慣性載荷條件（載荷1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）進行了測試（負載連接到臂2年底） 。此外，常規(guī)的 PID控制器，該控制器的比較。首先，進行了實驗驗證，在不同的輸入?yún)⒖碱l率所提出的控制器的有效性（節(jié)點1） 。圖9顯示的比較傳統(tǒng)的 PID控制器，該控制器聯(lián)合1實驗結(jié)果的有效性和所提出的控制詳細顯示在圖10相對于圖9。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（1） 。F = 0.3Hz和 F = 0.5Hz。在實驗中，所提出的控制器的初始值設(shè)置為6，P 190 10 K =×?，6我10 10 K =×?，6 D 150 10 K =×?，ED 0.015 k = 1，2 C 0.8，1，2，T = H =?H =。通過試驗和錯誤，得到了這些參數(shù)。這些實驗結(jié)果表明，有一個大的跟蹤誤差和時間相對于參考輸入的頻率的增加延遲；當(dāng)采用PID控制器響應(yīng)下降頻率為0.5Hz，而沉降時間減少，跟蹤性能是保證使用所提出的控制器。阻尼力矩不適用于快速響應(yīng)時，機械手開始移動，和阻尼轉(zhuǎn)矩的 MRB應(yīng)用到 PAM摩尼的旋轉(zhuǎn)軸圖10。所提出的控制器的實驗結(jié)果（1）機械手減少超調(diào)振蕩時，操縱器達到所需的角度。其次，實驗研究了相對于不同的參考輸入的頻率控制性能（節(jié)點2） 。此外，外部的慣性負載（負載1 = 20 [ KGF·cm2 ]；負載2 = 40 [ KGF·平方厘米]）連接到臂的端圖11。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負載1） 。2，和控制參數(shù)的設(shè)置是1相同的接頭。圖11和圖12顯示的 PID控制器和所提出的比較對于測試的參考輸入頻率和外部的初始荷載條件控制器。這些數(shù)字表明，有一個大的誤差和時間的延遲和更振蕩發(fā)生相對于參考輸入頻率的增加，以及增加外部初始荷載。在實驗中，PAM 的機械臂關(guān)節(jié)角同意與參考使用新的相平面開關(guān)控制器。建議的新的相平面開關(guān)控制算法的有效性也在圖詳細地顯示。13和14。實驗結(jié)果表明，一個良好的控制性能和較強的魯棒性應(yīng)力是圖12。常規(guī) PID控制器和控制器之間的比較（接頭2，負載2） 。獲得，不依賴于外部的初始負荷使用所提出的控制方法。這些實驗結(jié)果表明，阻尼轉(zhuǎn)矩施加和釋放非常頻繁地根據(jù)所需的角度的方法。結(jié)果表明，所提出的算法是在各種外部荷載作用下有效的和不依賴于參考輸入頻率。此外，據(jù)了解，PAM 的機械臂轉(zhuǎn)角的順利收斂到所需角度小的振蕩。它的結(jié)論是，新提出的相平面開關(guān)控制算法有效地跟蹤與高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速響應(yīng)，和不同的外部慣性載荷和參考輸入頻率下具有較強的魯棒穩(wěn)定性。5。結(jié)論在這項研究中，相平面開關(guān)控制用磁流變制動器的提出和應(yīng)用一二軸氣動新概念人工肌肉機械手的各種外部荷載作用下提高控制性能和獨立的參考輸入頻率。實驗結(jié)果表明，該控制算法在正弦軌跡跟蹤控制的高效和高增益控制，控制性能好，響應(yīng)速度快，強大的，對外部負載和輸入?yún)⒖碱l率變化的魯棒穩(wěn)定性。研究結(jié)果還表明，所提出的相平面運用 MRB切換控制是發(fā)展一個實際可用的最有效的方法之一，通過使用 PAM的人類友好的機械手機械手。確認這項工作是由蔚山大學(xué)的支持下，韓國。工具書類安，k 和清，T.華盛頓特區(qū)，2004， “使用智能切換控制方法的氣動人工肌肉機械手的控制性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷8，8號，1388頁~ 1400。安，k和清，T.華盛頓，2005年， “非線性 PID控制改善 PAM的機械手的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制性能，在 ksme，int，怨婦。 ，卷19，1號，106頁~ 115。安，k，清，T.華盛頓和韓國，Y，K，2005b， ”帕姆手采用磁流變制動器性能的改善， ”ksme，int，怨婦。 ，卷19，3號，777頁~ 790。DOI，Y，1993， “恢復(fù)功能鍛煉裝置， “J SOC。博美。 ，卷17，2號，99頁~ 105。富杰，M. 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