针对假肢的总体结构设计,它使用PAM作为膝关节的传动装置和直流伺服电机的传动装置髋关节和踝关节。简化人工腿结构模型包括髋关节、膝关节、踝关节,每一个都有一个自由度。四连杆膝关节机制有很多优势( 13]。PAM驱动可以实现弯曲和扩展。图 1是一个膝关节的三维模型。髋关节控制旋角通过谐波减速器大腿的酒吧。踝关节是由谐波减速器和常见的直齿圆柱齿轮实现弯曲和脚趾弯曲。

驾驶模式是一种链轮。如图 2(一个),最初的和对手的肌肉通过链轮链条连接。原来的肌肉产生动力,对手肌肉产生敌对的力量,和链式驱动链轮转动,所以联合可以完成拉伸和弯曲的动作。这种驱动方式的输出转矩较大,和膝关节可以满足负荷下运动的范围。

考虑到仿人机器人的结构尺寸和所需的各关节的时刻,PAM的模型由费斯托是费斯托- mas - 20 - 200 - n - aa - mc。安装位置如图 2 (b)。PAM是倾斜的,和链轮的包角超过120°。虚拟样机的假肢的整体结构如图 3。

图 4假肢的控制系统图。运动控制卡与电脑通过ISA接口和一个直流伺服电机由PAMC控制电机驱动放大器,以髋关节和踝关节的运动控制。气动人工肌肉的运动控制卡控制通胀压力通过电动控制比例阀的压力信号,以控制膝关节的运动。在假肢的运动,编码器和电位计的反馈信息是通过D / A与工业控制计算机。

PAM的静态特性测试方案如图 5。主要由步进电机、压力比例阀、位移传感器、压力传感器、压力传感器、数据采集仪等。PAM的长度精确控制通过控制步进电机的转动和使用滚珠丝杆。压力比例阀控制气动人工肌肉的充气压力。位移传感器、压力传感器和压力传感器是用来测量收缩内部压力和输出气动人工肌肉的力量在实验中,分别。显示输出信号的数据采集仪器。图 6显示实际的实验。

PAM的数学模型建立了通过实验建模。等压特性实验研究之间的关系的输出力和收缩速度气动人工肌肉在不同压力下通过加载条件下的步进电机的输入压力气动人工肌肉保持不变。

在均衡特性实验中,气动人工肌肉水平放置。一端是与张力传感器来测量输出的力的气动人工肌肉在实验。另一端连接步进电机的应用气动人工肌肉的外力。在实验中,首先,压力比例阀的输出压力调整,气动人工肌肉的内部压力达到设定值和仍然是固定的。此时,气动人工肌肉最大收缩状态。其次,旋转步进电机发送一个脉冲信号,线性位移和角位移转换为滚珠螺杆,和气动人工肌肉萎缩了通胀的作用下逐渐扩展外部负载。然后,停止旋转步进电机的原始长度。然后,改变步进电机的旋转方向,气动人工肌肉逐渐返回到最大收缩状态,完成一个工作循环。张力传感器和位移传感器分别测量输出的力和长度变化的气动人工肌肉在实验中,分别记录和数据后,系统是稳定的。最后,通胀压力气动人工肌肉的改变,重复上述实验过程,和气动人工肌肉的均衡特性实验在不同的压力下可以完成,从而获得PAM在不同的收缩力和收缩压力。

从图 7,可以看出内部摩擦的气动肌肉不同充气压力下几乎没有变化。如果充气气动人工肌肉的压力被认为是生物肌肉的激活水平,之间的特性曲线气动人工肌肉的收缩力和收缩类似于生物肌肉。

气动人工肌肉的静态模型确定的等压特性试验。考虑弹性变形的橡皮管和网间的摩擦力的影响和橡胶层气动人工肌肉的数学模型,建立了气动人工肌肉的数学模型通过使用公式( 1)和( 2)参数识别( 14]。 (1) F = k 0 π r 0 2 p 一个 1 − k 1 ε 2 − b + k 2 − F t , (2) f t = 2 3 一个 3 π r 0 l 0 t E 1 − ε 2 1 − 3 3 b − 一个 1 − ε 2 , 在哪里 一个 = 3 / 棕褐色 2 θ 0 , b = 1 / 罪 2 θ 0 , r₀气动人工肌肉是初始半径, p是相对压力气动人工肌肉内腔, ε气动人工肌肉的收缩速度, l₀是最初的气动人工肌肉的长度, θ₀初始角的气动人工肌肉, t是橡皮管的壁厚对气动人工肌肉,然后呢 E气动人工肌肉橡皮管的弹性模量。假设PAM始终是一个理想的气缸,但在实际应用中,气动人工肌肉的结束将膨胀后半球形。PAM的收缩速率越大,收缩部分效果越小,并最终实际最大收缩速率要小于理论值。为了解决这个问题,身体萎缩率转化为有效的气动人工肌肉的收缩速度参数 k₁。之间的静摩擦橡胶和纤维编织层和不考虑理论公式,但它是修改参数 k₂。考虑到上述参数将不可避免地产生一些错误的理论公式修正,这将影响输出气动人工肌肉的力量,由参数补偿的因素 k₀。

使用最小二乘法确定气动人工肌肉的参数。的参数的估计价值气动人工肌肉在收缩和扩展了表 1和 2。

确定参数带入修改模型。数学模型的气动人工肌肉在收缩和扩展。理论模型的比较,如图 8,当 p = 0.5 MPa 。

修改后的气动人工肌肉的数学模型可以准确反映时的静态特征 p = 0.1 , 0.2 , 0.3 , 0.4 , 0.5 MPa 。在实际应用程序中,气动人工肌肉的许多结构参数难以精确测量。因此,建立一个简单的数学模型来代替复杂的修改模型将有助于对气动人工肌肉的控制。

等压实验的特点,考虑到的输出力和位移的非线性气动人工肌肉在恒压下,拟合函数的数学模型,提出了气动人工肌肉如下: (3) F = 一个 − b ε + c 经验值 − μ ε , 在哪里 一个, b, c拟合系数, µ是非线性衰减系数描述收缩, μ= 45。

拟合函数的输入压力 p 为 一个( p), B( p), C( p假)气动肌肉在收缩和伸展模式,如图 9。在此基础上,两种模式的参数识别结果分别进行评估,如表所示 3。

最后,获得的气动人工肌肉的数学模型如下:

收缩状态: (4) F p , ε = 2442年 p − 197.8 − 5464年 p + 1735年 ε + 688.3 p − 9.3 经验值 − 45 ε 。

气动人工肌肉的静态数学模型可以改写如下: (6) F p , ε = f 0 ε + f 1 ε p , 在哪里 (7) f 0 ε = − 197.8 − 1735年 ε − 9.3 经验值 − 45 ε , 施工状态, − 344.5 + 43.2 ε + 43.24 经验值 − 45 ε , 扩展的状态, f 1 ε = 2442年 − 5464年 ε + 688.3 经验值 − 45 ε , 施工状态 , 2554年 − 8403年 ε + 899.2 经验值 − 45 ε , 扩展状态 。

如图 10,数学模型可以准确反映PAM的静态特征。它是相对简单和控制仿真奠定了良好的基础。

两个气动人工肌肉组合驱动关节的连接链和链轮的气动人工肌肉。原理图所示 11。

如图 11, F₁和 F₂分别输出屈肌和伸肌的力量。 R是力的手臂关节由气动人工肌肉驱动的, T驱动力矩, J的惯性负载, C是关节的阻尼, θ是关节的旋转角度。建立驱动关节的动力学方程如下: (8) J θ ¨ + C θ ˙ = T , T = F 1 − F 2 R , T = φ 0 ε 1 , ε 2 + φ 1 ε 1 , ε 2 Δ p , Δ p = J θ ¨ + C θ ˙ − φ 0 ε 1 , ε 2 φ 1 ε 1 , ε 2 。

假设没有热量交换之间的气动人工肌肉和外部在膨胀过程中,这个过程可以被视为绝热膨胀过程。根据能量守恒方程的常数气体容积绝热充电源变量,气动人工肌肉充电过程的能量方程可以得到 15]: (9) d p ′ d t = κ RT 年代 问 米 1 V − κ p ′ V d V d t , 在哪里 问 米 1 气体的质量流量,单位是千克/秒; p ′ 是人造肌肉的内部压力,单位是爸爸; R是一种气体常数, RN = 287 ∗ (米/公斤 ∗ K); κ 是等熵指数和 κ = 1.4 ;和 T 年代 是气体源温度。

气动人工肌肉在曝气的质量流量方程如下: (10) 问 米 1 = 一个 e p 年代 ′ 1 − b ′ RT 年代 ω , 在哪里 一个 e 是管道系统的有效面积, p 年代 气源压力, T 年代 是气体源温度, b ′ 压力比是至关重要的。

最后,动态模型的关节驱动人工肌肉得到如下: (11) ω = 1 − σ − b ′ 1 − b ′ 2 , σ = p ′ p 年代 ′ > b ′ , 1 , σ = p ′ p 年代 ′ ≤ b ′ 。

Pro / E、ADAMS和MATLAB / Simulink是用来建立一个虚拟样机联合仿真平台人工腿,取代物理模型来解决和控制仿真。建立三维模型导入ADAMS进行动态分析。主要的模型导入到ADAMS部分,关节,司机,地面,等等。每个部分由一对运动对连接。假肢的虚拟样机模型导入ADAMS如图 12,每个关节的约束和驾驶条件。

假肢的虚拟样机模型,在ADAMS导入MATLAB / Simulink仿真,仿真系统框图和相应的控制是建立基于PID控制算法。联合控制假肢进行虚拟样机的仿真,以及理想步态之间的误差的原因和实际步态进行了分析。其中,步态数据来自人类的膝盖运动轨迹披露APAS软件。采样间隔0.005秒,仿真时间是0.2秒,仿真时间间隔是0.005秒。

膝关节,PID控制流图所示 13。理想的步态数据之间的误差和编码器测量值作为反馈信号,和压力比例阀的输出压力是由PID控制器调节输出气动人工肌肉的力量。在实际应用中,一个两个气动人工肌肉的膨胀和收缩,另一个是收缩和伸展,所以他们的输出力是不同的,这将产生驱动力矩的传动轴气动人工肌肉,并使用这一时刻作为输入控制模块。

控制仿真、人工腿的虚拟样机由气动人工肌肉驱动的生成到模块my_test亚当斯/控制,及其结构如图 14。Control_torque膝盖关节的驱动力矩,和angle_1 angle_2是膝关节的旋转角度。以它为控制对象,系统控制仿真框图是由连接它与其他控制在MATLAB和Simulink模块。

基于PID控制算法的框图气动人工muscle-driven假肢的控制系统虚拟样机是建立在MATLAB / Simulink仿真,如图 15。在仿真过程中,理想步态轨迹之间的误差和实际步态作为反馈信号,控制模块的输入是纠正通过调整PID控制器,它是充气气动人工肌肉的压力,和膝关节的驱动力矩。作为输入ADAMS虚拟样机模型的包装,膝关节的旋转角度,这是实际的输出控制仿真系统。

使用“试错”的方法,实际输出曲线与理想曲线可以安装很多次的试错。

跟踪曲线和膝关节的跟踪误差,如图 16。下面的稳态误差相对较小,和下面的目标更好的实现。

错误的原因如下: (1)

结构设计:结构设计的过程中人工腿和膝关节,尽管机制进行了优化,它不同于人类下肢膝关节的结构

人体下肢有六个自由度,即简化为三个。更好的设计的假肢结构是必需的。PID控制算法具有适应性差的非线性和时变系统,需要更好的控制算法仿真。