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新型弯曲关节及其多关节手指的控制策略研究

陈刚  
【摘要】: 基于柔性气缸,设计了一种新型的气动弯曲关节。在一定气体压力作用下,研究弯曲关节的径向变形和轴向变形。建立了弯曲关节的静态模型,并通过实验论证了该模型的合理性。基于悬臂梁模型,建立了弯曲关节的动态模型,仿真结果表明,通过选择合理的结构参数,可以使弯曲关节具有很好的动态特性。 基于比例伺服技术,设计了弯曲关节的伺服控制系统。建立了伺服控制系统的数学模型。采用PID算法和模糊控制算法,实现了弯曲关节任意弯曲角的控制。采用计算力矩法和神经PID算法,实现了弯曲关节的轨迹跟踪。 用两个弯曲关节构造了一个两自由度手指,建立了手指的运动学方程。提出基于雅可比矩阵的反馈控制算法。在要求误差及其误差变化率极小的条件下,采用了误差性能最优控制算法。在考虑鲁棒性的条件下,给出了滑模控制算法。 讨论了三关节冗余手指的运动学方程,并且建立了手指的动态数学模型。运用具有三个神经元的Hopfield网络求得了冗余手指的逆运动学解。仿真结果表明,该手指具有很好的动态特性,而且运用Hopfield网络算法,手指的轨迹跟踪误差很小。基于psuedo逆,提出了冗余手指的动态控制算法。并且对手指在抓取时的夹持力进行了分析。 针对在某些场合对机械手的作用力提出的特殊要求,本文提出了一种能适应不同刚度环境、对力进行自适应控制的基于神经网络带积分环节的控制算法。仿真结果证明该算法的合理性。 随后介绍了一个三爪气动机械手的设计原理以及基于PWM原理的伺服控制系统。 最后,讨论了弯曲关节的应用前景,对未来的研究方向进行了展望。


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