气动肌腱驱动的仿生关节设计与控制策略研究

"该文主要探讨了一种基于气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节的设计与控制方法，旨在实现仿生机器人的高性能和效率。作者来自于哈尔滨工业大学的机器人技术与系统国家重点实验室。文章首先介绍了仿生关节在仿生机器人系统中的重要性，特别是对于环境交互的机器人来说，关节的质量、体积和功率重量比至关重要。相比于传统的电气或液压驱动，气动肌腱驱动具有轻质、小型化和高功率重量比的优势。 文章详细阐述了设计过程，从功能仿生的角度出发，研究了人体肘关节的骨骼结构和肌肉工作方式，以此为灵感设计出一种新型的气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节。为了建立肌腱的数学模型，作者们进行了气动肌腱工作特性的实验测试，并运用最小二乘法来识别模型参数。接着，他们对拮抗式仿生关节进行了运动学和动力学分析，提出了基于肌腱模型的气压偏置输入控制策略，并设计了一个基于关节估计阻尼的扰动观测器来进行模型补偿。 为了验证所提出的控制方法的有效性，作者们进行了数值仿真，并构建了一个仿生关节运动控制试验系统。通过单关节轨迹跟踪试验，证明了肌腱理论模型的准确性和控制策略的可行性。关键词包括仿生关节、气动肌腱、运动控制和扰动观测器，表明该研究集中在生物启发的机器人技术领域，尤其是气动驱动的智能关节设计和控制算法的开发。" 该文的研究内容涉及到以下几个核心知识点： 1. 气动肌腱驱动：这是一种利用压缩空气驱动仿生肌肉的先进技术，具有重量轻、体积小和高功率重量比的特点。 2. 拮抗式仿生关节：模仿生物体中肌肉相互对抗以实现精细运动的机制，通过两组相反方向作用的肌腱实现关节的灵活控制。 3. 数学建模与性能测试：通过实验获取气动肌腱的工作特性，建立数学模型，并用最小二乘法进行参数识别。 4. 运动学和动力学分析：研究关节在不同条件下的运动规律和动力响应，为控制策略提供理论基础。 5. 控制策略：设计了基于肌腱模型的气压控制方法和扰动观测器补偿方案，以提高关节控制的精度和稳定性。 6. 实验验证：通过数值仿真和实际试验验证了理论模型的正确性和控制策略的有效性。 这项研究对于理解和开发更高效、更接近生物行为的仿生机器人有着重要的贡献，特别是在环境交互和精密操作任务中。