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外 文 翻 译 系 别 机电信息系 专 业 班 级 姓 名 学 号 导 师 机 械科学与技术 21（ 2007） 1018 1027 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 摘要 康复 机械手 的使用已经由于功能康复治疗对肢体的需求成为一个日益重要的问题。一种新型的气动人工肌肉致动器（ 所提供的安全性和流动性援助以执 行任务的人类达到日益普及，以及提供一个具有高强度和高功率 /重量比，成本低，体积小，便于维修，清洁，随手可得，廉价的电力来源，等等 已在使用在治疗 机械手 近几十年来考虑，特别是需要高水平的安全性。然而，仍存在一定的局限性，如空气 可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟，导致振荡运动能力的缺乏。此外，为了帮助康复 机械手 更有效，应根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，机械手加入装有磁流变制动器（ 一种新的相平面使用 过使用制作的两个轴 验证实了该 算法的有效性。实验证明，该 机械手 的稳定性可以不考虑对参考输入和外部负载条件下的频率的变化使用高增益控制大大改善，并在不降低响应速度，或降低 关键词：气动人工肌肉；相平面开关控制；机械手；磁流变制动器 1。景区简介 需要由交通事故和脑卒中引起的骨折或关节疾病康复的人数，和运动功能的问题，由于年事已高，全世界数以千计数百数。 机械手 的康复中的应用具有极大的关注。功能恢复的治疗通常是进行了医学治疗师在人的基础，但自动设备已经投入到物理治疗程序重复过程相对简单，实用，如连续被动运动机，步行训 练装置，和用于单轴扭矩机（ 1993街等； 1994；傅等人， 1995）。本文论述了功能康复治疗，身体康复的一个重要方面。网格加密治疗机已创建 （安清， 2004； 2005年； 2005b）。然而，多关节 机械手 要实现更逼真的运动模式，从而更有效的治疗是必要的。这种 机械手 必须有一个 人类使用高安全的。 疗 机械手 。二自由度 机械手 功能恢复的治疗由气动肌肉驱动的开发是佐贝尔（ 人。， 1999）和人。， 2001； 2003）的柳巷芳草 统的人工肌肉致动器（柳巷芳草等人。， 1999； 2000； 2002； 2003）气动肌肉方面的疗装置等人。， 2004）与人友好的治疗 机械手 （ 安， 2006年）。然而，仍存在一定的局限性，如空气的可压缩性和阻尼的执行带来的压力动态响应延迟能力的缺乏，导致振荡运动。此外，实施更有效的康复，机械手 必须根据病人的身体状况调整阻抗参数。为了这个目的，一个新的技术，电流变液阻尼器（ 尼器），已被应用到 械手。 他的团队使用 关阀（ 人。， 1994）。通过分离的阻尼器产生的阻尼转矩和阻尼区域 高增益控制下的响应速度，结果表明电流变阻尼器用于实际可用的一种有效方法，人类友好的 机械手 使用的 外，位置控制是无响应速度下降的改进。然而，一定的局限性阻碍了技术，由于电流变液（ 求很高的控制电压（ 这是有问题的，并在特定的，潜在的危险，只工作在一个较窄的温度范围（和一个不适合的 械手），并表 现出非线性特征。因为有很多不可接受的缺点电流，磁流变流体（ 直被认为是表 1中列出的优点是一个有吸引力的选择，和最近已被用于治疗人类友好的 机械手 （ 安， 2006年）。虽然这些系统在解决光滑的致动器的运动响应的步骤输入成功，假设两个轴 用在未来治疗 机械手 ，这是 我们研究的最终目标，是要实现快速的响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应无以不同的频率。 因此，要实现良好的控制性能，一个 备的机械手关节。相平面使用 算法的有效性将通过 涉及一二轴验证明。实验结果表明，该 机械手 的稳定性可以大大改善高增益控制在不考虑频率的参考和外部条件的变化，并没有 降低响应速度和两个轴 度低。 2。实验装置 这两个轴气动人工肌肉机械手示意图如图 1所示。的 表 1。流变流体相比。 图 1。两个轴气动人工肌肉机械手示意图 图 2。气动人工肌肉机械手的工作原理。 图 3。实验设备的照片。 图 4。建设工作。 拮抗人工肌肉和外部负载转动，如图 2所示的结果之间的压力差。关节角度， 1和 2，与旋转编码器测量（ 8反馈到计算机通过一个 24位的数字计数器板（研华 833）。外部惯性负载可以从 20变化 40 ， 200 % 的变化相对于最小惯性负载条件；参考输入不同频率的波形（正弦）被认为是。实验 境压力和控制软件下进行的是 3显示的是实验装置的照片。 对 的 设计如图 4所示。转子固定在轴上，可相对于壳体旋转。转子和壳体之间的间隙填充 。磁流变液的表观粘度在磁场中的应用几毫秒的时间变化，并在没有磁场的正常粘度的回报。下面的实验 探讨 量数据是在图 5和表 3。 实验中，转速 从 100变化 转 1000 转 和所施加的电流从 0到 1的 。这些范围是因为系统的响应不达到 1000 转 和最大电流用于 。图 5显示了阻尼力矩与输入电流的变化（ a）和（ b）转速的 图 5，它是 显然，对阻尼扭矩是独立的旋转速度和几乎正比于输入电流。因此，方程（ 1）的输入电流和阻尼 转矩的结核病 表 3。对测量数据。 W：转速 I：目前的应用 J. 这里， 是常数确定使用特点 3。控制系统 这种 统的 制器的输出能在时间域如下表示：以 2）产量 所得的传递函数的 制器： 在采样序列 其中 u（ k）和 E（ k）是控制输入到设定点和节点的输出之间的控制阀和误差，分别。 此外，使用 械手的控制性能的有效途径 响应速度（因为它在加速或减速太高的地区的作品）。在这里， s 是拉普拉斯变量，它是由机械产生的扭矩， 定扭矩角速度比例增益，和 由方程计算的源控制电压（ 1）产生 尼转矩的方向与旋转方向相反的手臂。因此，方程（ 6）低于表明，阻尼器产生的阻尼转矩结核病。 所提出的相平面切换控制方法的结构如图 6所示。 图 7显示了传统相平面切换控制方法。在区域中，手臂的方法所需的角度关节角度，一个 B， C D，如图 7（ a） ，目前是不适用的，而在该地区（斜阴影区） B C， D E，目前应用于提高更快收敛到期望的角度的阻尼性能。虽然系统阶跃输入响应成功顺利，它的质量下降（与响应延长）由于正弦波形 失控点参考输入（ C， E 等）。此外，假设 2轴 械手 利用在未来的治疗 机械手 （我们研究的最终目标），它要实现快速响应，即使外部惯性负载变化剧烈和正弦响应，一个是在发生的频率范围内的频率无关。 阻尼转矩 T B，这是在公式 1所示，提高了机械手的阻尼性能。由于阻尼的机械手的转动方向相反的转矩的作 用，其加速性能退化。在区域中的臂的方法所需的角度关节角度， O A， B C， D E， F G，在图 8（ a），目前是不适用由于高响应速度 是必需的。在臂通过所需的角区域，即对角阴影区的 B， C D， E F， G 在图 8 H（一），电流被施加到改善阻尼性能，从而使臂更快地收敛到期望的角度。要确定是否应施加磁场，相平面。 图 6。的相平面开关控制的新概念框图。 图 7。常规的相平面切换控制方法。图 8（ b）用。 在相平面上的横轴线对应的关节角偏差 E 垂直轴对应于时间的偏导数， e =。每个点的相平面上的一个 H 对应于图 8中同样的字母点（一）。在这里，与目前应用的区域是由 1 1 1 2 h 控制（ S）， H（ S），的梯度 图 8。相平面切换控制方法的新概念。 图 8线（ B）。阻尼转矩的应用在区域控制为 1 h。控制在 出的控制器的有效性将实验研究。 4。实验结果 在这项研究中，一二轴 用相平面开关控制器，新概念的控制器，和实验用正弦波作为参考输入在两个不同的频率进行（ f = z 和 z）。两个外部惯性载荷条件（载荷 1 = 20 ；负载 2 = 40 方厘米 ）进行了测试（负载连接到臂 2年底）。此外，常规的 制器，该控制器的比较。 首先，进行了实验验证，在不同的输入参考频率所提出的控制器的有效性（节点1）。图 9显示的比较传统的 控制器联合 1实验结果的有效性和所提出 的 控 制 详 细 显 示 在 图 10 相对于 图 9。常规 1）。 F = = 实验中，所提出的控制器 的初始值设置为 6， P 190 10 K = ， 6我 10 10 K = ， 6 D 150 10 K = ， k = 1， 2 C 1，2， T = H =H =。通过试验和错误，得到了这些参数。这些实验结果表明，有一个大的跟踪误差和时间相对于参考输入的频率的增加延迟；当采用 制器响应下降频率为 沉降时间减少，跟踪性能是保证使用所提出的控制器。阻尼力矩不适用于快速响应时，机械手开始移动，和阻尼转矩的 尼 的 旋 转 轴 图 10。所提出的控制器的实验结 果（ 1） 机械手 减少超调振荡时，操纵器达到所需的角度。其次，实验研究了相对于不同的参考输入的频率控制性能（节点 2）。此外，外部的惯性负载（负载 1 = 20 ；负载 2 = 40 方厘米 ）连接到臂的端 图 11。常规 头 2，负载 1）。 2，和控制参数的设置是 1相同的接头。图 11和图 12显示的 对于测试的参考输入频率和外部的初始荷载条件控制器。这些数字表明，有一个大的误差和时间的延迟和更振荡发生相对于参考输入频率 的增加，以及增加外部初始荷载。在实验中， 议的新的相平面开关控制算法的有效性也在图详细地显示。 13和 14。实验结果表明，一个良好的控制性能和较强的鲁棒性应力是 图 12。常规 头 2，负载 2）。 获得，不依赖于外部的初始负荷使用所提出的控制方法。这些实验结果表明，阻尼转矩施加和释放非常频繁地根据所需的角度的方法。结果表明，所提出的算法是在各种外部荷载作用下有效的和不依赖于 参考输入频率。此外，据了解， 的顺利收敛到所需角度小的振荡。它的结论是，新提出的相平面开关控制算法有效地跟踪与高增益控制正弦波形控制，并具有良好的控制性能，快速 响应，和不同的外部惯性载荷和参考输入频率下具有较强的鲁棒稳定性。 5。结论 在这项研究中，相平面开关控制用磁流变制动器的提出和应用一二轴气动新概念 人工肌肉机械手的各种外部荷载作用下提高控制性能和独立的参考输入频率。 实验结果表明，该控制算法在正弦轨迹跟踪控制的高效和高增益控制，控制性能好，响应速度快，强大的，对外部负载和输入参考频率变化的鲁棒稳定性。研究结果 还表明，所提出的相平面 运用 过使用 械手 机械手。 确认 这项工作是由蔚山大学的支持下，韩国。 工具书类 安， k 和清， 2004，“使用智能切换控制方法的气动人工肌肉机械手的控制性能的改善，” 妇。，卷 8， 8号， 1388页 1400。安， 2005年，“非线性 制改善 机械手的神经网络控制性能，在 妇。，卷 19， 1号， 106页 115。 安， k，清， Y， K， 2005b，”帕姆手采用磁流变制动器性能的改善，” 妇。，卷 19， 3号， 777页 790。 Y， 1993，“恢复功能锻炼装置，“ J 美。，卷 17， 2号， 99页 105。富杰， M. 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