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随着人们对生物系统功能特征、运动机理认知的不断深入,以及计算机技术的迅猛发展,仿生机器人进入了机电系统与生物性能相互融合的阶段,如传统结构与仿生材料的融合以及仿生驱动的运用。本文对一类仿肌肉力驱动的拟人肘关节进行了动力学建模和轨迹跟踪控制器设计,并进行了虚拟样机设计和联合仿真研究。
该拟人肘关节为2-DOF并联机构,采用仿肌肉力驱动方式来模拟人类肘关节的运动能够体现仿生驱动机构的柔顺特性。本文主要工作如下:首先,在详细分析拟人肘关节结构和运动方式的基础上,选取Hill三元素肌肉模型作为仿生驱动器的数学模型,与拟人肘关节的Lagrange动力学模型相结合,建立一种新型的仿肌肉力驱动的拟人肘关节标称动力学模型。
进一步考虑不确定性和外部干扰等因素,建立该系统的综合动力学模型。其次,针对仿肌肉力驱动的拟人肘关节的轨迹跟踪控制问题,考虑其多变量、非线性、时变性及不确定性等特点,设计一种模糊PID控制器。
该控制器基于模糊控制规则推理机构,不断检测误差及误差变化率,实时在线调整PID控制器参数。利用MATLAB进行轨迹跟踪控制仿真实验,验证所设计控制器的有效性。
再次,利用Solid Works软件建立拟人肘关节的虚拟样机模型,在ADAMS仿真环境下进行前臂抬起过程的运动轨迹仿真,观察运动轨迹随时间的变化情况,验证虚拟样机的合理性。最后,利用MATLAB/SIMULINK搭建仿真控制系统、通过S函数编写肌肉力特性函数,经由ADAMS/Controls模块实现MATLAB和ADAMS两个软件的信息交互,将拟人肘关节ADAMS虚拟样机模型和MATLAB仿真控制系统相结合,进行联合仿真控制,进一步验证虚拟样机设计的正确性和控制器的有效性。