气动人工肌肉关节建模与仿真研究

"本文介绍了气动人工肌肉关节的建模与仿真技术，旨在降低传统气动系统的成本。通过研究气动人工肌肉（PMA）和脉宽调制（PWM）高速开关阀的特性，建立了四阶仿射非线性数学模型，并进行了系统仿真，探讨了系统在不同控制条件下的静态和动态输出特性，以及摩擦力、负载、气源压力和工作容积等因素对系统性能的影响。" 在气动系统领域，气动人工肌肉（PMA）是一种新兴的驱动技术，它模仿生物肌肉的运动方式，具有成本低、响应快等优点。在本研究中，设计了一个由PMA驱动的单自由度(DOF)运动关节系统，以替代传统的气动执行器。该系统基于对PMA和PWM高速开关阀的深入理解，构建了多输入的四阶仿射非线性数学模型，这有助于更好地理解和预测系统的动态行为。 在建立的数学模型基础上，进行了仿真分析，以评估系统在各种输入控制量下的性能。结果表明，无论是否存在静摩擦力，系统在开环状态下都能保持稳定，且输入与输出之间存在静态线性关系。然而，静摩擦力会影响系统的稳态输出值，增大摩擦力会改变系统的响应特性。此外，仿真还揭示了负载和气源压力对系统稳定性的重要影响：增加负载或减小气源压力会导致系统超调和振荡加剧。这提示在设计和控制PMA系统时，需要对这些参数进行精确的调节。 工作容积作为另一个关键因素，对系统响应速度有显著影响。减小PMA内部的工作容积可以提升系统的动态响应，这是因为减小容积会使得气体压力变化更快，从而加快肌肉的收缩和舒张速度。因此，在实际应用中，调整PMA的工作容积是优化系统性能的关键策略之一。 本研究的贡献在于提供了气动人工肌肉关节系统的详细建模和仿真方法，这些发现对于改进气动系统的性能，特别是在成本控制和效率提升方面具有重要的实践意义。同时，对于理解和优化PMA驱动的气动系统提供了理论依据，有助于推动相关技术在机器人、康复设备以及其他自动化领域的广泛应用。