[發明專利]氣動肌肉高階非線性動態模型及其構建方法與系統

有效

• 申請號: 201811317517.8
• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109271746B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 艾青松;劉泉;彭媛;孟偉;左潔
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G09B23/28
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 鄭勤振

1.一種氣動肌肉高階非線性動態模型，其特征在于，氣動肌肉模型包括高階非線性多項式表示的收縮項、彈性項和阻尼項，具體表達式見式(1)：

其中M為標稱外部負載的質量，y(t)、與分別為氣動肌肉在t時刻的位移、速度和加速度，與分別為模型的收縮項、彈性項和阻尼項，F_l(t)表示系統的動態外部負載；

收縮項的表達式見式(2)：

其中f_ce0、f_cej為收縮項的待定系數，k表示收縮項表達式的最高階次，P為氣壓；

彈性項的表達式見式(3)：

其中k₀、k_j為彈性項的待定系數，n表示彈性項表達式的最高階次，P為氣壓；

氣動肌肉伸長和收縮過程中的阻尼項的表達式見式(4)：

其中，表示運動方向，表示氣動肌肉的速度矢量，b₀₀、b_0j為阻尼項在收縮過程的待定系數，b₁₀、b_1j為阻尼項在伸長過程的待定系數，m表示阻尼項表達式的最高階次，P為氣壓；

動態外部負載的表達式見式(5)：

式(5)中，α_i、ω_i、φ_i分別表示動態外部負載第i個正弦分量的幅值、頻率和相位，h表示正弦分量的總數，Mg為標稱外部負載。

2.一種構建權利要求1所述的氣動肌肉高階非線性動態模型的方法，其特征在于，包括以下步驟：

對收縮項與彈性項系數的標定：將氣動肌肉內部氣壓穩定在特定值，為氣動肌肉提供步進變化的外部負載，并記錄氣動肌肉內部氣壓以及外部負載調節至穩態后的氣動肌肉位移和輸出力，然后步進調節氣動肌肉內部氣壓重復此標定過程，將采集的氣動肌肉拉力、壓力、位移與外部負載信息代入公式(6)擬合數據關系曲線，

式(6)中，F_S表示穩定時氣動肌肉拉力，F_ce(P)、K(P)分別表示在氣壓為P時氣動肌肉的收縮項及彈性項，y(t)表示氣動肌肉的位移，f_ce0、f_cej為收縮項的待定系數，k₀、k_j為彈性項的待定系數，k、n分別表示收縮項和彈性項表達式的最高階次；

對阻尼項系數的標定：氣動肌肉伸長過程中，使外部負載等步進減小，標定氣動肌肉高階非線性動態模型在伸長過程中的阻尼項系數；氣動肌肉收縮過程中，使外部負載等步進增加，標定氣動肌肉高階非線性動態模型在收縮過程中的阻尼項系數；步進調節氣動肌肉內部氣壓重復上述伸長和收縮過程中的阻尼項系數的標定過程，將采集的氣動肌肉拉力、壓力、位移、外部負載信息以及收縮項與彈性項系數標定結果代入公式(7)擬合數據關系曲線，

其中F_b(P)表示運動中氣動肌肉拉力，F_ce(P)、B(P)分別表示在氣壓為P時氣動肌肉的收縮項及阻尼項，F_S表示穩定時氣動肌肉拉力，y(t)表示氣動肌肉的位移；

根據所得的氣動肌肉高階非線性動態模型的收縮項、彈性項與阻尼項系數重建氣動肌肉在變負載條件下的動態模型。

3.根據權利要求2所述的構建所述氣動肌肉高階非線性動態模型的方法，其特征在于，多次重復權利要求2所述的步驟。

4.一種構建權利要求1所述的氣動肌肉高階非線性動態模型的系統，其特征在于，包括：

檢測氣動肌肉運動過程中的位移的位移傳感器(2)；

檢測氣動肌肉輸出力的力傳感器(3)；

為氣動肌肉提供壓縮空氣的氣泵(12)；

調節氣動肌肉氣壓的氣壓比例閥(4)，氣泵(12)通過氣壓比例閥(4)與氣動肌肉連接；

負載提供裝置，所述負載提供裝置與氣動肌肉連接，在氣動肌肉運動過程中提供變化的負載；以及

控制器(10)，控制器(10)分別與位移傳感器(2)、力傳感器(3)、氣壓比例閥(4)和所述負載提供裝置連接，并在變負載條件下對所述氣動肌肉動態模型進行標定與優化。