專利名稱：氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置及位姿控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及模擬控制平臺(tái)，尤其涉及一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置及位姿控制方法。
背景技術(shù)：
并聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)模擬器可以模擬空間飛行器、地面行駛車輛以及船舶等物體的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)測試、訓(xùn)練和娛樂等目的。傳統(tǒng)的并聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)模擬器是由液壓或電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有重量大、耗能大、成本高等缺點(diǎn)。氣動(dòng)控制由于重量輕、體積小、成本低、維護(hù)簡單、清潔無污染和工作環(huán)境適應(yīng)性好等諸多優(yōu)點(diǎn)也逐漸在并聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)模擬器中開始應(yīng)用，例如氣動(dòng)重力平衡式運(yùn)動(dòng)模擬器(ZL 03150629.1)。但由于氣缸的摩擦力使得在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，限制其運(yùn)動(dòng)模擬范圍；輸出功率/重量比小，限制其帶動(dòng)負(fù)載范圍；要實(shí)現(xiàn)高精度定位和精確軌跡跟蹤，需要使用頻響高的比例閥或伺服閥，導(dǎo)致其價(jià)格昂貴，限制其應(yīng)用范圍。近年來出現(xiàn)的新型氣動(dòng)執(zhí)行元件即氣動(dòng)肌肉，其摩擦力非常微小，因此可輕易實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)動(dòng)；其輸出功率/重量比為同缸徑氣缸的十倍，因此大大拓展了其帶動(dòng)負(fù)載的范圍；經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，氣動(dòng)肌肉既可以用比例閥實(shí)現(xiàn)高精度定位和精確軌跡跟蹤，也可采用高速開關(guān)閥達(dá)到同樣的控制效果，因而大大降低了系統(tǒng)的成本，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。相對(duì)于氣缸而言，氣動(dòng)肌肉還具有價(jià)格便宜、柔性好等優(yōu)點(diǎn)。因此，采用氣動(dòng)肌肉來驅(qū)動(dòng)并聯(lián)多自由度運(yùn)動(dòng)模擬器。
由于氣動(dòng)肌肉在不充氣時(shí)呈松弛狀態(tài)，不能夠獨(dú)立承受負(fù)載，因此必須設(shè)計(jì)一種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式保證氣動(dòng)肌肉能在各種工況下可靠工作，且氣動(dòng)肌肉的伸縮長度的測量具有一定的難度，因此如何安裝位移傳感器也需仔細(xì)考慮。從控制的角度而言，氣動(dòng)肌肉具有高度非線性和參數(shù)時(shí)變性，如氣動(dòng)肌肉伸縮力模型的建模誤差、隨壓力變化的摩擦力、滯回等，因而給氣動(dòng)肌肉控制帶來一定的挑戰(zhàn)性。而且氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置系統(tǒng)為多輸入多輸出耦合，不適合用傳統(tǒng)的單輸入單輸出的氣動(dòng)肌肉系統(tǒng)模型進(jìn)行位置控制。此外，該系統(tǒng)除氣動(dòng)肌肉的非線性因素外，還存在容腔的壓力動(dòng)態(tài)方程的建模誤差、整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)的較強(qiáng)非線性等不利因素。對(duì)于本發(fā)明的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)，要實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的精確位姿控制有一定困難，因此合適的控制方法成為氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置及位姿控制方法，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)形式的模擬控制。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下一、一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置1.主要包括三根氣動(dòng)肌肉、中心支柱、固定平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、基座、氣動(dòng)三聯(lián)件、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件、二個(gè)位移傳感器、三個(gè)壓力傳感器、輸入轉(zhuǎn)換模塊、控制器和輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊；三根氣動(dòng)肌肉與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)均用鉸鏈連接，且鉸接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)上沿圓周方向均勻分布，中心支柱與固定平臺(tái)中心剛性連接，而與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中心通過中心圓球鉸連接，使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度；固定平臺(tái)與基座通過帶螺紋的固定平臺(tái)支撐剛性連接；氣源通過氣源連接軟管與氣動(dòng)三聯(lián)件相連，氣動(dòng)三聯(lián)件的輸出端通過氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣軟管分別與三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣口相連，三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的出氣口通過氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣軟管分別與氣動(dòng)肌肉相連；三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的控制端口與輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊的輸出端口電連接，輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊的輸入端口與控制器的輸出端口總線連接；二個(gè)位移傳感器分別與氣動(dòng)肌肉在氣動(dòng)肌肉的伸縮方向上平行連接，三個(gè)壓力傳感器的壓力檢測端口分別連在各自氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣口處，二個(gè)位移傳感器和三個(gè)壓力傳感器的信號(hào)輸出端口分別與輸入轉(zhuǎn)換模塊的輸入端口電連接，輸入轉(zhuǎn)換模塊的輸出端口與控制器的輸入端口總線連接。
2.所述的鉸鏈為球鉸，或虎克鉸，使得氣動(dòng)肌肉的連接端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)只有轉(zhuǎn)動(dòng)，與固定平臺(tái)只有轉(zhuǎn)動(dòng)；中心圓球鉸使得中心支柱與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)只有轉(zhuǎn)動(dòng)；中心支柱與固定平臺(tái)垂直。
3.所述的三根氣動(dòng)肌肉構(gòu)成空間并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)；氣動(dòng)肌肉的兩個(gè)連接端能反向安裝；所述的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件為三組，采用開環(huán)調(diào)節(jié)或閉環(huán)調(diào)節(jié)；氣動(dòng)執(zhí)行閥組件為高速開關(guān)閥、比例換向閥、比例壓力閥或比例流量閥。
4.所述的位移傳感器為拉線電阻式、磁致伸縮式或電感式位移傳感器；檢測氣動(dòng)肌肉的伸縮長度的位移傳感器能用傾角傳感器代替，用來直接檢測平臺(tái)位姿。
二、一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的位姿控制方法1.當(dāng)給出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的期望位姿軌跡時(shí)，采用位姿控制方法，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位姿軌跡會(huì)聚到參考位姿軌跡上；對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的期望位姿軌跡進(jìn)行軌跡規(guī)劃和軌跡整形，得到參考位姿軌跡及其一階微分量、二階微分量和三階微分量，為控制器的設(shè)計(jì)提供參考狀態(tài)量；用二個(gè)位移傳感器分別檢測二根氣動(dòng)肌肉的伸縮長度，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿正解，得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的原始實(shí)際位姿；用微分狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際位姿及其一階微分量和二階微分量；實(shí)際位姿及其一階微分量和二階微分量為控制器的設(shè)計(jì)提供實(shí)際狀態(tài)量；用三個(gè)壓力傳感器檢測三根氣動(dòng)肌肉的壓力，為控制器的設(shè)計(jì)提供實(shí)際狀態(tài)量；用實(shí)際位姿、實(shí)際位姿的一階微分量和壓力，分別減去參考位姿、參考位姿的一階微分量和期望壓力得到誤差狀態(tài)量，誤差狀態(tài)量的線性組合構(gòu)造廣義跟蹤誤差；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的驅(qū)動(dòng)空間與靜態(tài)流量映射空間，按反步方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的名義控制量，名義控制量分別為期望壓力、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望流量與期望控制量；上述各級(jí)的名義控制量包括模型補(bǔ)償項(xiàng)和魯棒反饋項(xiàng)；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)參數(shù)更新獲得模型參數(shù)的估計(jì)值，代替實(shí)際的但未知的模型參數(shù)，得到名義控制量的模型補(bǔ)償項(xiàng)；根據(jù)廣義跟蹤誤差，構(gòu)造一個(gè)與之成線性比例或非線性比例關(guān)系的量，得到名義控制量的魯棒反饋項(xiàng)，抑制時(shí)變的不可知干擾；最后得出的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望控制量經(jīng)過一種組合控制率的運(yùn)算，從控制器的輸出端口，通過輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊，輸出給三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的控制端口。
2.所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿，是指建立在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于建立在固定平臺(tái)上的固定坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位姿軌跡會(huì)聚到參考位姿軌跡上，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角、實(shí)際俯仰角會(huì)聚到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的參考偏轉(zhuǎn)角、參考俯仰角；所述的狀態(tài)量是指運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿、位姿的一階微分量、位姿的二階微分量、位姿的三階微分量和氣動(dòng)肌肉的壓力；所述的期望位姿軌跡，是對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿的運(yùn)動(dòng)形狀和運(yùn)動(dòng)頻率的預(yù)先設(shè)置；所述的軌跡整形，是用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的期望位姿軌跡yr作為輸入量，通過一個(gè)由下列形式的線性微分方程所描述的系統(tǒng)y···d+m1y··d+m2y·d+m3yd=m3yr]]>生成輸出量yd及其一階微分量 二階微分量 和三階微分量 作為參考位姿及其參考位姿的一階微分量、參考位姿的二階微分量和參考位姿的三階微分量。
3.所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位姿，即實(shí)際偏轉(zhuǎn)角和實(shí)際俯仰角，與二根氣動(dòng)肌肉的伸縮長度之間存在一種非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系是由氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸決定的；初始位姿就是偏轉(zhuǎn)角為零和俯仰角為零的情形；所述的位姿正解，是根據(jù)二根氣動(dòng)肌肉的伸縮長度，對(duì)初始位姿采用最小二乘迭代法或預(yù)先設(shè)置的擬合關(guān)系，求出滿足上述非線性關(guān)系的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的原始實(shí)際位姿y。
4.所述的微分狀態(tài)觀測器，是用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的原始實(shí)際位姿y作為輸入量，通過下列形式的線性狀態(tài)方程所描述的系統(tǒng)，得到實(shí)際位姿 實(shí)際位姿的一階微分量 和實(shí)際位姿的二階微分量 x^·e1=x^e2+a1(y-x^e1)x^·e2=x^e3+a2(y-x^e1)x^·e3=a3(y-x^e1).]]>5.所述的名義控制量，是基于氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的參考狀態(tài)量、實(shí)際狀態(tài)量和預(yù)先設(shè)定的期望剛度，通過反步方法獲得的；包括根據(jù)實(shí)際位姿及其一階微分量、二階微分量和參考位姿及其一階微分量、二階微分量、三階微分量，從氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間的數(shù)學(xué)模型得到氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間的期望驅(qū)動(dòng)力矩；然后根據(jù)期望驅(qū)動(dòng)力矩和預(yù)先設(shè)定的期望剛度獲得第一級(jí)的名義控制量，即期望壓力；根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位姿、期望壓力和氣動(dòng)肌肉的壓力，在氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的驅(qū)動(dòng)空間得到第二級(jí)的名義控制量，即氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望流量；根據(jù)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望流量和氣動(dòng)肌肉的壓力，在氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的靜態(tài)流量映射空間得到第三級(jí)的名義控制量，即氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望控制量。
6.所述的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的期望控制量，與驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的實(shí)際控制信號(hào)是一種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這種關(guān)系稱為氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的組合控制率；驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的實(shí)際控制信號(hào)，對(duì)比例控制閥來說是控制電壓，對(duì)高速開關(guān)閥來說是開關(guān)時(shí)間。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果有本發(fā)明充分利用了氣動(dòng)肌肉出力大、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，采用氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)模擬。本發(fā)明的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置具有元件簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、安全可靠、剛性好、輸出功率/重量比大等優(yōu)點(diǎn)，克服了其他傳統(tǒng)執(zhí)行器如電機(jī)或液壓缸的重量大、耗能大、成本高等缺點(diǎn)。與傳統(tǒng)的氣缸驅(qū)動(dòng)相比其一，氣缸的摩擦力使得在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，限制其運(yùn)動(dòng)模擬范圍，而氣動(dòng)肌肉的摩擦力可忽略不計(jì)，不存在爬行現(xiàn)象；其二，氣動(dòng)肌肉的輸出功率/重量比為同缸徑氣缸的十倍，大大拓展了其帶動(dòng)負(fù)載的范圍；其三，要實(shí)現(xiàn)高精度定位和精確軌跡跟蹤，需要使用低摩擦氣缸和頻響高的比例閥或伺服閥來控制氣缸，導(dǎo)致成本非常高，而實(shí)驗(yàn)證明，氣動(dòng)肌肉既可以用比例閥實(shí)現(xiàn)高精度定位和精確軌跡跟蹤，也可采用高速開關(guān)閥達(dá)到同樣的控制效果，且高速開關(guān)閥作為氣動(dòng)執(zhí)行閥組件既可極大地降低成本，也可大大節(jié)省耗氣量，達(dá)到節(jié)約能源的目的。本發(fā)明采用三根氣動(dòng)肌肉構(gòu)成空間并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用中心支柱來支撐運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，保證氣動(dòng)肌肉能在各種工況下可靠工作；二個(gè)位移傳感器分別與氣動(dòng)肌肉在氣動(dòng)肌肉的伸縮方向上平行連接，位移傳感器的一端粘連在氣動(dòng)肌肉的連接端，另一端通過螺紋連接固定在氣動(dòng)肌肉的另一連接端，從而可靠地測量氣動(dòng)肌肉的伸縮長度；本發(fā)明的位姿控制方法通過采用在線參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)減小參數(shù)的不確定誤差，同時(shí)利用魯棒控制率弱化未補(bǔ)償?shù)牟淮_定量，可保證運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，平滑地實(shí)現(xiàn)各種精確軌跡跟蹤，靜態(tài)跟蹤誤差小于0.09°，任意連續(xù)軌跡跟蹤誤差小于0.15°。該發(fā)明在海浪搖擺模擬實(shí)驗(yàn)、艦艇燈塔調(diào)平、飛行模擬器、車輛駕駛模擬器、娛樂的運(yùn)動(dòng)模擬器(動(dòng)感電影搖擺臺(tái))、多自由度振動(dòng)搖擺臺(tái)和機(jī)器人關(guān)節(jié)等場合具有較好的應(yīng)用前景。


圖1是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)系統(tǒng)；圖2是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置機(jī)械部分的等軸測視圖；圖3是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置機(jī)械部分的主視圖；圖4是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置機(jī)械部分的俯視圖；圖5是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置機(jī)械部分的左視圖；圖6是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿描述。
圖7是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的位姿控制方法的原理圖。
圖8是具體實(shí)施例中氣動(dòng)執(zhí)行閥組件用高速開關(guān)閥實(shí)現(xiàn)的一種實(shí)施方式。
圖9是具體實(shí)施例中氣動(dòng)執(zhí)行閥組件用比例壓力閥實(shí)現(xiàn)的一種實(shí)施方式。
圖10是氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的位姿控制方法的程序流程圖。
圖中1、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，2、鉸鏈，3、中心支柱，4、氣動(dòng)肌肉，5、固定平臺(tái)6、基座，7、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件，8、壓力傳感器，9、位移傳感器，10、輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊，11、控制器，12、輸入轉(zhuǎn)換模塊，13、中心圓球鉸，14、氣動(dòng)三聯(lián)件，15、固定平臺(tái)支撐，16、基座支撐，17、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣軟管，18、氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣軟管，19、氣源連接軟管。
具體實(shí)施例方式
如圖1，圖2，圖3，圖4，圖5所示，所述的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)系統(tǒng)主要包括三根氣動(dòng)肌肉4、鉸鏈2、中心支柱3、中心圓球鉸13、固定平臺(tái)5、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1、基座6、固定平臺(tái)支撐15、基座支撐16、氣動(dòng)三聯(lián)件14、氣源連接軟管19、氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣軟管18、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣軟管17、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7、位移傳感器9、壓力傳感器8、輸入轉(zhuǎn)換模塊12、控制器11和輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊10。
在所述的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置中，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1通過三根氣動(dòng)肌肉4和一個(gè)中心支柱3與固定平臺(tái)5連接，三根氣動(dòng)肌肉4與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1和固定平臺(tái)5均用鉸鏈2連接，且鉸接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1和固定平臺(tái)5上沿圓周方向均勻分布。鉸鏈2既可以是球鉸，也可以是虎克鉸，其目的使得氣動(dòng)肌肉4的連接端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1只有轉(zhuǎn)動(dòng)，氣動(dòng)肌肉4的另一連接端與固定平臺(tái)5只有轉(zhuǎn)動(dòng)；三根氣動(dòng)肌肉4構(gòu)成空間并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)。中心支柱3與固定平臺(tái)5剛性連接，與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1通過中心圓球鉸13連接，且鉸接點(diǎn)位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的中心位置。中心圓球鉸13也可為虎克鉸，其目的使得中心支柱3與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1只有轉(zhuǎn)動(dòng)；中心支柱3與固定平臺(tái)5垂直。通過控制三根氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度，可使該運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)各種二維轉(zhuǎn)動(dòng)。
固定平臺(tái)5與基座6通過帶螺紋的固定平臺(tái)支撐15剛性連接，形成一個(gè)安裝氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7和管路的空間；氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7既可安裝在固定平臺(tái)5的下側(cè)即空間上方，也可安裝在基座6的上側(cè)即空間下方；氣動(dòng)三聯(lián)件14既可安裝在固定平臺(tái)5的四周，也可安裝在固定平臺(tái)5的下側(cè)即空間上方，還可安裝在基座6的上側(cè)即空間下方；基座6通過帶螺紋的基座支撐16平放于地面。
氣源通過氣源連接軟管19與氣動(dòng)三聯(lián)件14相連，經(jīng)氣動(dòng)三聯(lián)件14與三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的進(jìn)氣口通過氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣軟管17分別相連，三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7a、7b、7c的出氣口通過氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣軟管18a、18b、18c分別與氣動(dòng)肌肉4a、4b、4c相連；三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的控制端口與輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊10的輸出端口電連接，輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊10的輸入端口與控制器11的輸出端口總線連接。氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7受控于控制器11發(fā)出的控制信號(hào)，用于控制氣動(dòng)肌肉的壓力。
二個(gè)位移傳感器9a、9b分別與二根氣動(dòng)肌肉4a、4b在氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮方向上平行連接，其信號(hào)輸出端口與輸入轉(zhuǎn)換模塊12的輸入端口電連接，輸入轉(zhuǎn)換模塊12的輸出端口與控制器11的輸入端口總線連接。位移傳感器9a、9b檢測氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮長度，傳輸?shù)娇刂破?1以便檢測并為控制器11實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿控制提供信息和數(shù)據(jù)。
三個(gè)壓力傳感器8a、8b、8c的壓力檢測端口分別連接在三個(gè)氣動(dòng)肌肉4a、4b、4c的進(jìn)氣口處，其信號(hào)輸出引線與輸入轉(zhuǎn)換模塊12的輸入端口電連接，轉(zhuǎn)換模塊12的輸出端口與控制器11的輸入端口總線連接；壓力傳感器檢測氣動(dòng)肌肉4a、4b、4c的壓力，傳輸?shù)娇刂破饕员銠z測并為控制器11實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉的壓力的控制提供信息和數(shù)據(jù)。
所述的運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的電控部分包括輸入轉(zhuǎn)換模塊12、控制器11和輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊10。輸入轉(zhuǎn)換模塊12(研華的數(shù)據(jù)采集卡PCL711B)由采樣保持電路和模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，用于采集氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度(或平臺(tái)傾角)和壓力等參數(shù)。控制器11(研華的工控機(jī)PC610)用工控機(jī)、單片機(jī)或可編程控制器等實(shí)現(xiàn)，其功能有良好的人機(jī)界面交互，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿的伺服控制(包括性能優(yōu)化和各種控制策略)，模擬運(yùn)動(dòng)的同步演示，數(shù)據(jù)保存等。人機(jī)界面交互完成運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的期望位姿軌跡的設(shè)置；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿的伺服控制根據(jù)實(shí)時(shí)采集的伸縮長度和壓力信號(hào)，按一定的控制要求和控制算法，輸出氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的期望控制量，從而實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉4的控制，最終達(dá)到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿控制。模擬運(yùn)動(dòng)的同步演示根據(jù)檢測的氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度和壓力，在計(jì)算機(jī)中模擬真實(shí)的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)情形。數(shù)據(jù)保存記錄氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度和壓力以及位姿控制的信息，以便查看和比較。輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊10(比例閥用研華的數(shù)/模轉(zhuǎn)換板卡PCL728，高速開關(guān)閥用研華的波形輸出板卡PCI1760)協(xié)調(diào)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的動(dòng)作，并產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的實(shí)際控制信號(hào)。
如圖6所示為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿描述。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1和固定平臺(tái)5上分別建立坐標(biāo)系O-XYZ和O1-X1Y1Z1，坐標(biāo)原點(diǎn)分別位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1和固定平臺(tái)5的中心，x軸過鉸鏈點(diǎn)A，y軸在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的平面內(nèi)垂直于y軸，z軸垂直于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的平面。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1動(dòng)作時(shí)，O-XYZ相對(duì)于O1-X1Y1Z1的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角組成的向量即為運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿。控制裝置的目的是使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的實(shí)際位姿軌跡會(huì)聚到參考位姿軌跡上，并保證較好的動(dòng)態(tài)特性和高精度軌跡跟蹤的性能。
圖7所示是本發(fā)明的氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的位姿控制方法的原理圖?？刂破?1首先對(duì)期望位姿軌跡進(jìn)行軌跡規(guī)劃和軌跡整形，得到得到參考位姿軌跡及其一階微分量、二階微分量和三階微分量，即參考狀態(tài)量；二個(gè)位移傳感器9測得的氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿正解，得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的原始實(shí)際位姿，然后用微分狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際位姿及其一階微分量和二階微分量，與三個(gè)壓力傳感器8獲得的氣動(dòng)肌肉4的壓力信號(hào)一起組成實(shí)際狀態(tài)量?？刂破?1根據(jù)參考狀態(tài)量和實(shí)際狀態(tài)量，在氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的驅(qū)動(dòng)空間與靜態(tài)流量映射空間，按反步方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的名義控制量，名義控制量分別為期望壓力、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的期望流量與期望控制量。此期望控制量經(jīng)過氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的組合控制率后，得到各組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的實(shí)際控制量，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿控制。
上述各級(jí)的名義控制量包括模型補(bǔ)償項(xiàng)和魯棒反饋項(xiàng)；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)參數(shù)更新獲得模型參數(shù)的估計(jì)值，代替實(shí)際的但未知的模型參數(shù)，得到名義控制量的模型補(bǔ)償項(xiàng)，以補(bǔ)償因系統(tǒng)模型的參數(shù)不確定造成的誤差；根據(jù)由實(shí)際狀態(tài)量和參考狀態(tài)量獲得的廣義跟蹤誤差，構(gòu)造一個(gè)與之成線性比例或非線性比例關(guān)系的量，得到名義控制量的魯棒反饋項(xiàng)，以抑制時(shí)變的不可知干擾的影響。
同時(shí)在期望壓力設(shè)計(jì)中，結(jié)合預(yù)先設(shè)定的期望剛度的控制，以提高控制性能。
圖8給出了具體實(shí)施例中氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7為高速開關(guān)閥時(shí)的氣路圖。以其中一根氣動(dòng)肌肉為例，由二個(gè)高速開關(guān)閥控制一根氣動(dòng)肌肉，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉的控制。組合控制率為若期望控制量u＞0，則閥Va1按PWM方式進(jìn)行開關(guān)控制，閥Va2關(guān)閉，氣動(dòng)肌肉4a充氣。反之，閥Va2按PWM方式進(jìn)行開關(guān)控制，閥Va1關(guān)閉，氣動(dòng)肌肉4a放氣。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1處于穩(wěn)態(tài)的位姿時(shí)，二閥Va1、Va2同時(shí)關(guān)閉，這樣可使耗氣量大大降低，節(jié)省能量。
圖9給出了具體實(shí)施例中氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7為比例壓力閥時(shí)的氣路圖。由三個(gè)比例壓力閥Va、Vb、Vc分別控制三根氣動(dòng)肌肉4a、4b、4c，實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)肌肉的控制。
參照?qǐng)D10描述位姿控制方法的程序流程該程序以預(yù)定的時(shí)間間隔重復(fù)進(jìn)行。
在步驟30，控制器11通過模/數(shù)采樣獲得氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮長度和氣動(dòng)肌肉4a、4b、4c的壓力。
在步驟31，根據(jù)步驟30獲得的氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮長度，按此運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方法獲得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的原始實(shí)際位姿。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的實(shí)際位姿，即實(shí)際偏轉(zhuǎn)角、實(shí)際俯仰角，與二根氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮長度之間存在一種非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系是由氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸決定的；初始位姿就是偏轉(zhuǎn)角為零和俯仰角為零的情形；運(yùn)動(dòng)學(xué)正解方法，是根據(jù)二根氣動(dòng)肌肉4a、4b的伸縮長度，對(duì)初始位姿采用最小二乘迭代法或預(yù)先設(shè)置的擬合關(guān)系求出滿足上述非線性關(guān)系的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的原始實(shí)際位姿y。
在步驟32，根據(jù)步驟31獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的原始實(shí)際位姿y作為輸入量，通過式(1)形式的狀態(tài)方程描述的微分狀態(tài)觀測器系統(tǒng)，得到實(shí)際位姿 實(shí)際位姿的一階微分量 和實(shí)際位姿的二階微分量 x^·e1=x^e2+a1(y-x^e1)x^·e2=x^e3+a2(y-x^e1)x^·e3=a3(y-x^e1)---(1)]]>等式中，y是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的原始實(shí)際位姿， 和 分別是微分狀態(tài)觀測器輸出的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的實(shí)際位姿、實(shí)際位姿的一階微分量和實(shí)際位姿的二階微分量。微分狀態(tài)觀測器的特征方程為D(s)＝s3+a1s2+a2s+a3，用極點(diǎn)配置方法設(shè)計(jì)觀測器的參數(shù)a1、a2、a3，使其特征根位于左半平面。
在步驟33，檢測前面步驟獲得的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的實(shí)際位姿是否合理，如果為否，則說明運(yùn)動(dòng)不合理，需要急停；實(shí)際位姿不合理，是指如由運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿計(jì)算的氣動(dòng)肌肉4的伸縮長度已經(jīng)超出氣動(dòng)肌肉4允許的伸縮長度范圍了。如果為正，則運(yùn)行到步驟34。
在步驟34中，檢測是否需要改變期望位姿軌跡，如為正，則進(jìn)入步驟35。根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的任務(wù)要求設(shè)置期望位姿軌跡。再進(jìn)入步驟36，對(duì)期望位姿軌跡進(jìn)行軌跡規(guī)劃和軌跡整形。由期望位姿軌跡yr，通過設(shè)計(jì)參數(shù)m1、m2、m3，按式(2)運(yùn)算得到具有連續(xù)性和光滑性的參考位姿軌跡yd及其一階微分量 二階微分量 和三階微分量 回到步驟37。
y···d+m1y··d+m2y·d+m3yd=m3yr---(2)]]>軌跡規(guī)劃及軌跡整形提供了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿控制的參考信息(即參考狀態(tài)量)。
若步驟34檢測為否，則直接回到步驟37。
在步驟37中，獲得當(dāng)前采樣時(shí)間點(diǎn)的參考狀態(tài)量。
在步驟38中，檢測是否需要改變運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的期望剛度，如為正，則進(jìn)入步驟39設(shè)置運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的期望剛度，以靈活調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的剛度，但期望剛度Kd的設(shè)置不應(yīng)超過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的允許剛度范圍。對(duì)最優(yōu)的期望剛度Kdopt按使干擾噪聲對(duì)控制量的增益最小的性能指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)(式(12))，以提高控制性能。
Jopt=|Kq-1(pd(Kdopt))f^m-1∂pd(Kdopt)∂x·|→min---(12)]]>然后回到步驟40。
若步驟38檢測為否，則直接回到步驟40。
在步驟40中，獲得當(dāng)前采樣時(shí)間點(diǎn)的期望剛度。
在步驟41中，根據(jù)參考狀態(tài)量和實(shí)際狀態(tài)量，在氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的驅(qū)動(dòng)空間和靜態(tài)流量映射空間分步設(shè)計(jì)各級(jí)的名義控制量；各級(jí)的名義控制量包括模型補(bǔ)償項(xiàng)和魯棒反饋項(xiàng)；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)參數(shù)更新獲得模型參數(shù)的估計(jì)值，代替實(shí)際的但未知的模型參數(shù)，得到名義控制量的模型補(bǔ)償項(xiàng)，以補(bǔ)償因系統(tǒng)參數(shù)的不確定造成的誤差；根據(jù)由實(shí)際狀態(tài)量和參考狀態(tài)量獲得的廣義跟蹤誤差，構(gòu)造一個(gè)與之成線性比例或非線性比例關(guān)系的量，得到名義控制量的魯棒反饋項(xiàng)，以抑制時(shí)變的不可知干擾的影響。同時(shí)結(jié)合期望剛度控制來輔助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)1的位姿控制，提高控制性能。
設(shè)狀態(tài)量為實(shí)際位姿、實(shí)際位姿的一階微分量、氣動(dòng)肌肉的壓力；即x=[x1T,x2T,x3T]T=[θT,θ·T,pT]T.]]>氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型按式(3)計(jì)算。
M(x)x··+C(x,x·)x·+G(x)+F1(x,x·)+d1(x,x·,t)=τ=fτ(x)p+gτ(x)p·=fm(x)qm+gm(x,x·,p)+dm(x,x·,t)qm=Kq(p,sign(u))u---(3)]]>式中M(x)為慣性矩陣； 為離心力和哥氏力矩陣； 為摩擦力項(xiàng)，G(x)為重力項(xiàng)， 分別為任務(wù)空間和關(guān)節(jié)空間的干擾量；fm(x)， fτ(x)，gτ(x)，Kq(p，sign(u))為非線性矩陣；p，qm，u為相應(yīng)的名義控制量。
各級(jí)的名義控制量的運(yùn)算流程為1)任務(wù)空間的期望壓力任務(wù)空間的廣義誤差為z2=z·1+Kcz1]]>(z1＝θ-θd為軌跡跟蹤誤差，Kc為正定對(duì)角矩陣)；未知參數(shù)用βt表示(如未知慣量、阻尼、非線性名義干擾等)，參數(shù)辨識(shí)的回歸量用2T表示(是狀態(tài)的非線性函數(shù))，則期望驅(qū)動(dòng)力矩τd分為模型補(bǔ)償項(xiàng)τda和魯棒反饋項(xiàng)τds。
其中，模型補(bǔ)償項(xiàng)為回歸量2T乘以估計(jì)的參數(shù)向量 與不含未知參數(shù)的非線性項(xiàng)fc2之和。
魯棒反饋項(xiàng)τds分為兩項(xiàng)，分別是用于實(shí)現(xiàn)期望系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的控制項(xiàng)τds1和抑制未知非線性干擾的控制項(xiàng)τds2。
τds1取為控制參數(shù)K2乘以廣義跟蹤誤差z2的相反數(shù)。
τds1＝-K2z2(5)τds2取為滿足式(6)的任意的非線性函數(shù)(式中 為任務(wù)空間的非線性不確定量，ε2為任意小的正數(shù))。
期望壓力pd由期望力矩τd和期望剛度Kd按式(7)獲得(期望剛度Kd可按一定優(yōu)化準(zhǔn)則得到，ψ1(x1)、ψ2(x1)為位姿的非線性函數(shù))。
pd=ψ1-1(x1){τdKd-ψ2(x1)}---(7)]]>2)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的驅(qū)動(dòng)空間的期望流量關(guān)節(jié)空間廣義跟蹤誤差z3＝p-pd；未知參數(shù)用βm表示(如多變指數(shù)、非線性名義干擾等)，參數(shù)辨識(shí)的回歸量為3T(是狀態(tài)的非線性函數(shù))，則期望流量qmd分為模型補(bǔ)償項(xiàng)qmda和魯棒反饋項(xiàng)qmds。
其中模型補(bǔ)償項(xiàng)qmda根據(jù)下式(8)求得qmda=f^m-1(-fτTz2-g^m-d^m0+p·dc)---(8)]]>魯棒反饋項(xiàng)τds分為兩項(xiàng)，分別是用于實(shí)現(xiàn)期望系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的控制項(xiàng)qmds1和抑制未知非線性干擾的控制項(xiàng)qmds2。
qmds1為控制參數(shù)K3和廣義跟蹤誤差z3的函數(shù)，如式(9)所示。
qmds1=-f^m-1K3z3---(9)]]>qmds2取為滿足下式的任意非線性函數(shù)(式中， 為關(guān)節(jié)空間的非線性不確定量， 為不可計(jì)算的期望壓力的微分部分，ε3為任意小的正數(shù)) 3)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的靜態(tài)流量映射空間的期望控制量根據(jù)靜態(tài)流量映射(式(3)中第三式)求逆映射得到驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7動(dòng)作的式(11)的期望控制量u，由于靜態(tài)流量映射不含動(dòng)態(tài)微分方程，u中魯棒反饋項(xiàng)為零。
u=Kq-1(p,sign(u))qm---(11)]]>對(duì)上述模型，還可以擴(kuò)展到考慮氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)力學(xué)模型，按照反步方法的設(shè)計(jì)原則，同樣可根據(jù)該動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)名義控制量。
在步驟42中，采用自適應(yīng)參數(shù)更新，獲得模型參數(shù)的估計(jì)值。
參數(shù)更新函數(shù)σ2、σ3按式(12)得到，其經(jīng)過投影算法，限制參數(shù)范圍得到參數(shù)更新率 σ2＝-2z2，σ3＝3z3(12)投影算法為β^·=Projβ^(Γσ)]]> 在步驟43中，用氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的組合控制率計(jì)算實(shí)際控制量，與驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的實(shí)際控制信號(hào)是一種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系；驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件7的實(shí)際控制信號(hào)，對(duì)比例控制閥來說是控制電壓，對(duì)高速開關(guān)閥來說是開關(guān)時(shí)間。
在步驟44中，檢測是否需要保存數(shù)據(jù)，若為正，則進(jìn)入步驟45向文件寫上述的實(shí)時(shí)采樣的實(shí)際狀態(tài)量、參考狀態(tài)量和控制量等數(shù)據(jù)。若為否，則直接回到步驟46。
在步驟46中，檢測是否收到停止命令，若為正，則停止運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置，其特征在于主要包括三根氣動(dòng)肌肉(4)、中心支柱(3)、固定平臺(tái)(5)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)、基座(6)、氣動(dòng)三聯(lián)件(14)、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)、二個(gè)位移傳感器(9)、三個(gè)壓力傳感器(8)、輸入轉(zhuǎn)換模塊(12)、控制器(11)和輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊(10)；三根氣動(dòng)肌肉(4)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)和固定平臺(tái)(5)均用鉸鏈(2)連接，且鉸接點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)和固定平臺(tái)(5)上沿圓周方向均勻分布，中心支柱(3)與固定平臺(tái)(5)中心剛性連接，而與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)中心通過中心圓球鉸(13)連接；固定平臺(tái)(5)與基座(6)通過帶螺紋的固定平臺(tái)支撐(15)剛性連接；氣源通過氣源連接軟管(19)與氣動(dòng)三聯(lián)件(14)相連，氣動(dòng)三聯(lián)件(14)的輸出端通過氣動(dòng)執(zhí)行閥組件的進(jìn)氣軟管(17)分別與三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的進(jìn)氣口相連，三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的出氣口通過氣動(dòng)肌肉的進(jìn)氣軟管(18)分別與氣動(dòng)肌肉(4)相連；三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的控制端口與輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊(10)的輸出端口電連接，輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊(10)的輸入端口與控制器(11)的輸出端口總線連接；二個(gè)位移傳感器(9)分別與氣動(dòng)肌肉(4)在氣動(dòng)肌肉(4)的伸縮方向上平行連接，三個(gè)壓力傳感器(8)的壓力檢測端口分別連在各自氣動(dòng)肌肉(4)的進(jìn)氣口處，二個(gè)位移傳感器(9)和三個(gè)壓力傳感器(8)的信號(hào)輸出端口分別與輸入轉(zhuǎn)換模塊(12)的輸入端口電連接，輸入轉(zhuǎn)換模塊(12)的輸出端口與控制器(11)的輸入端口總線連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置，其特征在于所述的鉸鏈(2)為球鉸，或虎克鉸，使得氣動(dòng)肌肉(4)的連接端與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)只有轉(zhuǎn)動(dòng)，與固定平臺(tái)(5)只有轉(zhuǎn)動(dòng)；中心圓球鉸(13)使得中心支柱(3)與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)只有轉(zhuǎn)動(dòng)；中心支柱(3)與固定平臺(tái)(5)垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置，其特征在于所述的三根氣動(dòng)肌肉(4)構(gòu)成空間并聯(lián)閉環(huán)結(jié)構(gòu)；氣動(dòng)肌肉(4)的兩個(gè)連接端能反向安裝；所述的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)為三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7a)(7b)(7c)，采用開環(huán)調(diào)節(jié)或閉環(huán)調(diào)節(jié)；氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)為高速開關(guān)閥、比例換向閥、比例壓力閥或比例流量閥。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置，其特征在于所述的位移傳感器(9)為拉線電阻式、磁致伸縮式或電感式位移傳感器；檢測氣動(dòng)肌肉(4)的伸縮長度的位移傳感器(9)能用傾角傳感器代替，用來直接檢測平臺(tái)位姿。
5.一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于當(dāng)給出運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的期望位姿軌跡時(shí)，采用位姿控制方法，使得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的實(shí)際位姿軌跡會(huì)聚到參考位姿軌跡上；對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的期望位姿軌跡進(jìn)行軌跡規(guī)劃和軌跡整形，得到參考位姿軌跡及其一階微分量、二階微分量和三階微分量，為控制器(11)的設(shè)計(jì)提供參考狀態(tài)量；用二個(gè)位移傳感器(9a)(9b)分別檢測二根氣動(dòng)肌肉(4a)(4b)的伸縮長度，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的位姿正解，得到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的原始實(shí)際位姿；用微分狀態(tài)觀測器獲得實(shí)際位姿及其一階微分量和二階微分量；實(shí)際位姿及其一階微分量和二階微分量為控制器(11)的設(shè)計(jì)提供實(shí)際狀態(tài)量；用三個(gè)壓力傳感器(8a)(8b)(8c)檢測三根氣動(dòng)肌肉(4a)(4b)(4c)的壓力，為控制器(11)的設(shè)計(jì)提供實(shí)際狀態(tài)量；用實(shí)際位姿、實(shí)際位姿的一階微分量和壓力，分別減去參考位姿、參考位姿的一階微分量和期望壓力得到誤差狀態(tài)量，誤差狀態(tài)量的線性組合構(gòu)造廣義跟蹤誤差；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的驅(qū)動(dòng)空間與靜態(tài)流量映射空間，按反步方法設(shè)計(jì)相應(yīng)的名義控制量，名義控制量分別為期望壓力、氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望流量與期望控制量；上述各級(jí)的名義控制量包括模型補(bǔ)償項(xiàng)和魯棒反饋項(xiàng)；根據(jù)氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，采用自適應(yīng)參數(shù)更新獲得模型參數(shù)的估計(jì)值，代替實(shí)際的但未知的模型參數(shù)，得到名義控制量的模型補(bǔ)償項(xiàng)；根據(jù)廣義跟蹤誤差，構(gòu)造一個(gè)與之成線性比例或非線性比例關(guān)系的量，得到名義控制量的魯棒反饋項(xiàng)；最后得出的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望控制量經(jīng)過一種組合控制率的運(yùn)算，從控制器(11)的輸出端口，通過輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊(10)，輸出給三組氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的控制端口。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于所述的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿，是指建立在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)上的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系相對(duì)于建立在固定平臺(tái)(5)上的固定坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角、俯仰角；運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的實(shí)際位姿軌跡會(huì)聚到參考位姿軌跡上，即運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的實(shí)際偏轉(zhuǎn)角、實(shí)際俯仰角會(huì)聚到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的參考偏轉(zhuǎn)角、參考俯仰角；所述的狀態(tài)量是指運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的位姿、位姿的一階微分量、位姿的二階微分量、位姿的三階微分量和氣動(dòng)肌肉(4)的壓力；所述的期望位姿軌跡，是對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的位姿的運(yùn)動(dòng)形狀和運(yùn)動(dòng)頻率的預(yù)先設(shè)置；所述的軌跡整形，是用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的期望位姿軌跡yr作為輸入量，通過一個(gè)由下列形式的線性微分方程所描述的系統(tǒng)y···d+m1y··d+m2y·d+m3yd=m3yr]]>生成輸出量yd及其一階微分量 二階微分量 和三階微分量 作為參考位姿及其參考位姿的一階微分量、參考位姿的二階微分量和參考位姿的三階微分量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的實(shí)際位姿，即實(shí)際偏轉(zhuǎn)角和實(shí)際俯仰角，與二根氣動(dòng)肌肉(4)的伸縮長度之間存在一種非線性關(guān)系，這種非線性關(guān)系是由氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸決定的；初始位姿就是偏轉(zhuǎn)角為零和俯仰角為零的情形；所述的位姿正解，是根據(jù)二根氣動(dòng)肌肉(4)的伸縮長度，對(duì)初始位姿采用最小二乘迭代法或預(yù)先設(shè)置的擬合關(guān)系，求出滿足上述非線性關(guān)系的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的原始實(shí)際位姿y。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于所述的微分狀態(tài)觀測器，是用運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的原始實(shí)際位姿y作為輸入量，通過下列形式的線性狀態(tài)方程所描述的系統(tǒng)，得到實(shí)際位姿 實(shí)際位姿的一階微分量 和實(shí)際位姿的二階微分量 x^·e1=x^e2+a1(y-x^e1)x^·e2=x^e3+a2(y-x^e1)x^·e3=a3(y-x^e1)]]>
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于所述的名義控制量，是基于氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)(1)的參考狀態(tài)量、實(shí)際狀態(tài)量和預(yù)先設(shè)定的期望剛度，通過反步方法獲得的；包括根據(jù)實(shí)際位姿及其一階微分量、二階微分量和參考位姿及其一階微分量、二階微分量、三階微分量，從氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間的數(shù)學(xué)模型得到氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的任務(wù)空間的期望驅(qū)動(dòng)力矩；然后根據(jù)期望驅(qū)動(dòng)力矩和預(yù)先設(shè)定的期望剛度獲得第一級(jí)的名義控制量，即期望壓力；根據(jù)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的實(shí)際位姿、期望壓力和氣動(dòng)肌肉(4)的壓力，在氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的驅(qū)動(dòng)空間得到第二級(jí)的名義控制量，即氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望流量；根據(jù)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望流量和氣動(dòng)肌肉(4)的壓力，在氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的靜態(tài)流量映射空間得到第三級(jí)的名義控制量，即氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望控制量。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的位姿控制方法，其特征在于所述的氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的期望控制量，與驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的實(shí)際控制信號(hào)是一種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，這種關(guān)系稱為氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的組合控制率；驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行閥組件(7)的實(shí)際控制信號(hào)，對(duì)比例控制閥來說是控制電壓，對(duì)高速開關(guān)閥來說是開關(guān)時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種氣動(dòng)肌肉運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)裝置及位姿控制方法。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過三根結(jié)構(gòu)完全相同的氣動(dòng)肌肉與一個(gè)中心支柱和固定平臺(tái)連接，三根氣動(dòng)肌肉與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和固定平臺(tái)均用鉸鏈連接，且鉸接點(diǎn)沿圓周方向均勻分布。中心支柱與固定平臺(tái)剛性連接，與運(yùn)動(dòng)平臺(tái)通過中心圓球鉸連接，且鉸接點(diǎn)位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中心，使運(yùn)動(dòng)平臺(tái)具有二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。該運(yùn)動(dòng)模擬控制平臺(tái)的控制系統(tǒng)主要由輸入轉(zhuǎn)換模塊、控制器和輸出驅(qū)動(dòng)放大模塊組成。通過實(shí)時(shí)采集氣動(dòng)肌肉的伸縮長度和壓力，根據(jù)運(yùn)動(dòng)模擬的控制要求和控制算法，由控制器發(fā)出指令給氣動(dòng)執(zhí)行閥組件，調(diào)節(jié)相應(yīng)氣動(dòng)肌肉的壓力，最終達(dá)到平臺(tái)的預(yù)期位姿，從而實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)模擬要求。
文檔編號(hào)A63G31/00GK1909017SQ20061005300
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月18日
發(fā)明者陶國良, 朱笑叢 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)