气动肌肉高阶非线性动态模型及其构建方法与系统技术方案

本发明专利技术考虑真实人机交互环境下带来的变负载对模型的影响，提出一种更完善的高阶非线性气动肌肉动态模型。本发明专利技术中构建气动肌肉高阶非线性动态模型的系统引入了可连续变化的负载，可在气动肌肉整个运动过程中提供实时连续变化的外部负载，免去了传统气动肌肉实验平台加减离散负载时引起的外部扰动，为研究气动肌肉在变负载条件下的工作特性与动态模型创建了理想的实验条件。本发明专利技术的构建气动肌肉高阶非线性动态模型的方法为自动化流程，替代传统建模过程中的人工重复操作，极大降低了人工成本的同时有效提高了建模效率与自动化程度，为促进气动肌肉在康复医疗、工业制造等领域的应用与推广奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
气动肌肉高阶非线性动态模型及其构建方法与系统
本专利技术属于气动肌肉领域，特别涉及气动肌肉高阶非线性动态模型及其构建方法与系统。
技术介绍
气动肌肉驱动器因其运动方式和物理特性与生物肌肉相似，且具有较高的功率质量比、内在柔顺性强、结构简单轻便等特点，成为康复机器人和动力外骨骼领域的新型驱动器，许多国内外研究机构对其建模、控制及应用进行了广泛研究，比较典型的应用包括上肢康复机器人RUPERT，腕部助力外骨骼EXOWRIST和下肢矫形器KAFO等。但是由于气动肌肉具有高度非线性、时变性和迟滞性等特征，难以获得其高精度模型，导致气动肌肉驱动机器人的精确控制比较困难。现有的模糊逻辑控制(FuzzyLogicControl,FLC)和滑模控制(SlidingModeControl,SMC)方法均需要依赖于受控对象的动态模型，对气动肌肉的实际控制效果不够理想。近年来，相关研究认为精确的气动肌肉动态模型是实现其驱动的机器人精确控制的必要条件。气动肌肉建模方法主要可以分为三类：几何建模、经验建模和混合建模。Chou等人将气动肌肉假设为理想圆柱体并忽略了其内部具体的几何结构与橡胶管弹性，基于此建立了一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种气动肌肉高阶非线性动态模型，其特征在于，气动肌肉模型包括高阶非线性多项式表示的收缩项、弹性项和阻尼项，具体表达式见式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种气动肌肉高阶非线性动态模型，其特征在于，气动肌肉模型包括高阶非线性多项式表示的收缩项、弹性项和阻尼项，具体表达式见式(1)：其中M为标称外部负载的质量，y(t)、与分别为气动肌肉在t时刻的位移、速度和加速度，与分别为模型的收缩项、弹性项和阻尼项，Fl(t)表示系统的动态外部负载；收缩项的表达式见式(2)：其中fce0、fcej为收缩项的待定系数，k表示收缩项表达式的最高阶次，P为气压；弹性项的表达式见式(3)：其中k0、kj为弹性项的待定系数，n表示弹性项表达式的最高阶次，P为气压；气动肌肉伸长和收缩过程中的阻尼项的表达式见式(4)：其中，表示运动方向，表示气动肌肉的速度矢量，b00、b0j为阻尼项在收缩过程的待定系数，b10、b1j为阻尼项在伸长过程的待定系数，m表示阻尼项表达式的最高阶次，P为气压；动态外部负载的表达式见式(5)：式(5)中，αi、ωi、φi分别表示动态外部负载第i个正弦分量的幅值、频率和相位，h表示正弦分量的总数，Mg为标称外部负载。2.一种构建权利要求1所述的气动肌肉高阶非线性动态模型的方法，其特征在于，包括以下步骤：对收缩项与弹性项系数的标定：将气动肌肉内部气压稳定在特定值，为气动肌肉提供步进变化的外部负载，并记录气动肌肉内部气压以及外部负载调节至稳态后的气动肌肉位移和输出力，然后步进调节气动肌肉内部气压重复此标定过程，将采集的气动肌肉拉力、压力、位移与外部负载信息代入公式(6)拟合数据关系曲线，式(6)中，FS表示稳定时气动肌肉拉力，Fce(P)、K(P)分别表示在气压为P时气动肌肉的收缩项及弹性项，y(t)表示气动肌肉的位移，fce0、fcej为收缩项的待定系数，k0、kj为弹性项的待定系数，k、n分别表示收缩项和弹性项表达式的最高阶次；对阻尼项系数的标定：气动肌肉伸长过程中，使外部负载等步进减小，标定气动肌肉高阶非线性动态模型在伸长过程中的阻尼项系数；气动肌肉收缩过程中，使外部负载等步进增加，标定气动肌肉高阶非线性动态模型在收缩过程中的阻尼项系数；步进调节气动肌肉内部气压重复上述伸长和...

【专利技术属性】
技术研发人员：艾青松，刘泉，彭媛，孟伟，左洁，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42