CN100464355C - 气动肌肉运动模拟控制平台装置及位姿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动肌肉运动模拟控制平台装置及位姿控制方法。运动平台通过三根结构完全相同的气动肌肉与一个中心支柱和固定平台连接，三根气动肌肉与运动平台和固定平台均用铰链连接，且铰接点沿圆周方向均匀分布。中心支柱与固定平台刚性连接，与运动平台通过中心圆球铰连接，且铰接点位于运动平台中心，使运动平台具有二个转动自由度。该运动模拟控制平台的控制系统主要由输入转换模块、控制器和输出驱动放大模块组成。通过实时采集气动肌肉的伸缩长度和压力，根据运动模拟的控制要求和控制算法，由控制器发出指令给气动执行阀组件，调节相应气动肌肉的压力，最终达到平台的预期位姿，从而实现各种运动模拟要求。

Description

气动肌肉运动模拟控制平台装置及位姿控制方法

技术领域

本发明涉及模拟控制平台，尤其涉及一种气动肌肉运动模拟控制平台装置及位姿控制方法。

背景技术

并联多自由度运动模拟器可以模拟空间飞行器、地面行驶车辆以及船舶等物体的运动，实现测试、训练和娱乐等目的。传统的并联多自由度运动模拟器是由液压或电机驱动，具有重量大、耗能大、成本高等缺点。气动控制由于重量轻、体积小、成本低、维护简单、清洁无污染和工作环境适应性好等诸多优点也逐渐在并联多自由度运动模拟器中开始应用，例如气动重力平衡式运动模拟器(ZL 03150629.1)。但由于气缸的摩擦力使得在低速运动时易出现爬行现象，限制其运动模拟范围；输出功率/重量比小，限制其带动负载范围；要实现高精度定位和精确轨迹跟踪，需要使用频响高的比例阀或伺服阀，导致其价格昂贵，限制其应用范围。近年来出现的新型气动执行元件即气动肌肉，其摩擦力非常微小，因此可轻易实现低速运动；其输出功率/重量比为同缸径气缸的十倍，因此大大拓展了其带动负载的范围；经实验证明，气动肌肉既可以用比例阀实现高精度定位和精确轨迹跟踪，也可采用高速开关阀达到同样的控制效果，因而大大降低了系统的成本，扩展了其应用范围。相对于气缸而言，气动肌肉还具有价格便宜、柔性好等优点。因此，采用气动肌肉来驱动并联多自由度运动模拟器。

由于气动肌肉在不充气时呈松弛状态，不能够独立承受负载，因此必须设计一种机械结构形式保证气动肌肉能在各种工况下可靠工作，且气动肌肉的伸缩长度的测量具有一定的难度，因此如何安装位移传感器也需仔细考虑。从控制的角度而言，气动肌肉具有高度非线性和参数时变性，如气动肌肉伸缩力模型的建模误差、随压力变化的摩擦力、滞回等，因而给气动肌肉控制带来一定的挑战性。而且气动肌肉运动模拟控制平台装置系统为多输入多输出耦合，不适合用传统的单输入单输出的气动肌肉系统模型进行位置控制。此外，该系统除气动肌肉的非线性因素外，还存在容腔的压力动态方程的建模误差、整个气动系统的较强非线性等不利因素。对于本发明的气动肌肉运动模拟控制平台，要实现运动平台的精确位姿控制有一定困难，因此合适的控制方法成为气动肌肉运动模拟控制平台成功应用的关键。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气动肌肉运动模拟控制平台装置及位姿控制方法，实现各种运动形式的模拟控制。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一、一种气动肌肉运动模拟控制平台装置：

1.主要包括三根气动肌肉、中心支柱、固定平台、运动平台、基座、气动三联件、气动执行阀组件、二个位移传感器、三个压力传感器、输入转换模块、控制器和输出驱动放大模块；三根气动肌肉与运动平台和固定平台均用铰链连接，且铰接点在运动平台和固定平台上沿圆周方向均匀分布，中心支柱与固定平台中心刚性连接，而与运动平台中心通过中心圆球铰连接，使运动平台具有二个转动自由度；固定平台与基座通过带螺纹的固定平台支撑刚性连接；气源通过气源连接软管与气动三联件相连，气动三联件的输出端通过气动执行阀组件的进气软管分别与三组气动执行阀组件的进气口相连，三组气动执行阀组件的出气口通过气动肌肉的进气软管分别与气动肌肉相连；三组气动执行阀组件的控制端口与输出驱动放大模块的输出端口电连接，输出驱动放大模块的输入端口与控制器的输出端口总线连接；二个位移传感器分别与气动肌肉在气动肌肉的伸缩方向上平行连接，三个压力传感器的压力检测端口分别连在各自气动肌肉的进气口处，二个位移传感器和三个压力传感器的信号输出端口分别与输入转换模块的输入端口电连接，输入转换模块的输出端口与控制器的输入端口总线连接。

2.所述的铰链为球铰，或虎克铰，使得气动肌肉的连接端与运动平台只有转动，与固定平台只有转动；中心圆球铰使得中心支柱与运动平台只有转动；中心支柱与固定平台垂直。

3.所述的三根气动肌肉构成空间并联闭环结构；气动肌肉的两个连接端能反向安装；

所述的气动执行阀组件为三组，采用开环调节或闭环调节；气动执行阀组件为高速开关阀、比例换向阀、比例压力阀或比例流量阀。

4.所述的位移传感器为拉线电阻式、磁致伸缩式或电感式位移传感器；检测气动肌肉的伸缩长度的位移传感器能用倾角传感器代替，用来直接检测平台位姿。

二、一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的位姿控制方法：

1.当给出运动平台的期望位姿轨迹时，采用位姿控制方法，使得运动平台的实际位姿轨迹会聚到参考位姿轨迹上；

对运动平台的期望位姿轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，得到参考位姿轨迹及其一阶微分量、二阶微分量和三阶微分量，为控制器的设计提供参考状态量；

用二个位移传感器分别检测二根气动肌肉的伸缩长度，经过运动平台的位姿正解，得到运动平台的原始实际位姿；

用微分状态观测器获得实际位姿及其一阶微分量和二阶微分量；实际位姿及其一阶微分量和二阶微分量为控制器的设计提供实际状态量；

用三个压力传感器检测三根气动肌肉的压力，为控制器的设计提供实际状态量；

用实际位姿、实际位姿的一阶微分量和压力，分别减去参考位姿、参考位姿的一阶微分量和期望压力得到误差状态量，误差状态量的线性组合构造广义跟踪误差；

根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间、气动执行阀组件的驱动空间与静态流量映射空间，按反步方法设计相应的名义控制量，名义控制量分别为期望压力、气动执行阀组件的期望流量与期望控制量；

上述各级的名义控制量包括模型补偿项和鲁棒反馈项；根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，采用自适应参数更新获得模型参数的估计值，代替实际的但未知的模型参数，得到名义控制量的模型补偿项；根据广义跟踪误差，构造一个与之成线性比例或非线性比例关系的量，得到名义控制量的鲁棒反馈项，抑制时变的不可知干扰；

最后得出的气动执行阀组件的期望控制量经过一种组合控制率的运算，从控制器的输出端口，通过输出驱动放大模块，输出给三组气动执行阀组件的控制端口。

2.所述的运动平台的位姿，是指建立在运动平台上的运动坐标系相对于建立在固定平台上的固定坐标系的偏转角、俯仰角；运动平台的实际位姿轨迹会聚到参考位姿轨迹上，即运动平台的实际偏转角、实际俯仰角会聚到运动平台的参考偏转角、参考俯仰角；

所述的状态量是指运动平台的位姿、位姿的一阶微分量、位姿的二阶微分量、位姿的三阶微分量和气动肌肉的压力；

所述的期望位姿轨迹，是对运动平台的位姿的运动形状和运动频率的预先设置；

所述的轨迹整形，是用运动平台的期望位姿轨迹y_r作为输入量，通过一个由下列形式的线性微分方程所描述的系统

${\stackrel{...}{y}}_d+m_1{\stackrel{..}{y}}_d+m_2{\stackrel{.}{y}}_d+m_3{y}_d=m_3{y}_r$

生成输出量y_d及其一阶微分量

二阶微分量

和三阶微分量

作为参考位姿及其参考位姿的一阶微分量、参考位姿的二阶微分量和参考位姿的三阶微分量。

3.所述的运动平台的实际位姿，即实际偏转角和实际俯仰角，与二根气动肌肉的伸缩长度之间存在一种非线性关系，这种非线性关系是由气动肌肉运动模拟控制平台装置的几何结构和尺寸决定的；初始位姿就是偏转角为零和俯仰角为零的情形；所述的位姿正解，是根据二根气动肌肉的伸缩长度，对初始位姿采用最小二乘迭代法或预先设置的拟合关系，求出满足上述非线性关系的运动平台的原始实际位姿y。

4.所述的微分状态观测器，是用运动平台的原始实际位姿y作为输入量，通过下列形式的线性状态方程所描述的系统，得到实际位姿

实际位姿的一阶微分量

和实际位姿的二阶微分量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e1}={\hat{x}}_{e2}+a_1(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e2}={\hat{x}}_{e3}+a_2(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e3}=a_3(y-{\hat{x}}_{e1})\end{array}\right..$

5.所述的名义控制量，是基于气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，根据运动平台的参考状态量、实际状态量和预先设定的期望刚度，通过反步方法获得的；包括：

根据实际位姿及其一阶微分量、二阶微分量和参考位姿及其一阶微分量、二阶微分量、三阶微分量，从气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间的数学模型得到气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间的期望驱动力矩；然后根据期望驱动力矩和预先设定的期望刚度获得第一级的名义控制量，即期望压力；

根据运动平台的实际位姿、期望压力和气动肌肉的压力，在气动执行阀组件的驱动空间得到第二级的名义控制量，即气动执行阀组件的期望流量；

根据气动执行阀组件的期望流量和气动肌肉的压力，在气动执行阀组件的静态流量映射空间得到第三级的名义控制量，即气动执行阀组件的期望控制量。

6.所述的气动执行阀组件的期望控制量，与驱动气动执行阀组件的实际控制信号是一种一一对应的关系，这种关系称为气动执行阀组件的组合控制率；驱动气动执行阀组件的实际控制信号，对比例控制阀来说是控制电压，对高速开关阀来说是开关时间。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果有：本发明充分利用了气动肌肉出力大、体积小、结构简单、安装方便等优点，采用气动肌肉驱动并联平台实现运动模拟。本发明的气动肌肉运动模拟控制平台装置具有元件简单、结构紧凑、成本低、安全可靠、刚性好、输出功率/重量比大等优点，克服了其他传统执行器如电机或液压缸的重量大、耗能大、成本高等缺点。与传统的气缸驱动相比：其一，气缸的摩擦力使得在低速运动时易出现爬行现象，限制其运动模拟范围，而气动肌肉的摩擦力可忽略不计，不存在爬行现象；其二，气动肌肉的输出功率/重量比为同缸径气缸的十倍，大大拓展了其带动负载的范围；其三，要实现高精度定位和精确轨迹跟踪，需要使用低摩擦气缸和频响高的比例阀或伺服阀来控制气缸，导致成本非常高，而实验证明，气动肌肉既可以用比例阀实现高精度定位和精确轨迹跟踪，也可采用高速开关阀达到同样的控制效果，且高速开关阀作为气动执行阀组件既可极大地降低成本，也可大大节省耗气量，达到节约能源的目的。本发明采用三根气动肌肉构成空间并联闭环结构，用中心支柱来支撑运动平台，保证气动肌肉能在各种工况下可靠工作；二个位移传感器分别与气动肌肉在气动肌肉的伸缩方向上平行连接，位移传感器的一端粘连在气动肌肉的连接端，另一端通过螺纹连接固定在气动肌肉的另一连接端，从而可靠地测量气动肌肉的伸缩长度；本发明的位姿控制方法通过采用在线参数自适应调节减小参数的不确定误差，同时利用鲁棒控制率弱化未补偿的不确定量，可保证运动模拟控制平台具有较好的动态特性，平滑地实现各种精确轨迹跟踪，静态跟踪误差小于0.09°，任意连续轨迹跟踪误差小于0.15°。该发明在海浪摇摆模拟实验、舰艇灯塔调平、飞行模拟器、车辆驾驶模拟器、娱乐的运动模拟器(动感电影摇摆台)、多自由度振动摇摆台和机器人关节等场合具有较好的应用前景。

附图说明

图1是气动肌肉运动模拟控制平台系统；

图2是气动肌肉运动模拟控制平台装置机械部分的等轴测视图；

图3是气动肌肉运动模拟控制平台装置机械部分的主视图；

图4是气动肌肉运动模拟控制平台装置机械部分的俯视图；

图5是气动肌肉运动模拟控制平台装置机械部分的左视图；

图6是气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿描述。

图7是气动肌肉运动模拟控制平台的位姿控制方法的原理图。

图8是具体实施例中气动执行阀组件用高速开关阀实现的一种实施方式。

图9是具体实施例中气动执行阀组件用比例压力阀实现的一种实施方式。

图10是气动肌肉运动模拟控制平台的位姿控制方法的程序流程图。

图中：1、运动平台，2、铰链，3、中心支柱，4、气动肌肉，5、固定平台6、基座，7、气动执行阀组件，8、压力传感器，9、位移传感器，10、输出驱动放大模块，11、控制器，12、输入转换模块，13、中心圆球铰，14、气动三联件，15、固定平台支撑，16、基座支撑，17、气动执行阀组件的进气软管，18、气动肌肉的进气软管，19、气源连接软管。

具体实施方式

如图1，图2，图3，图4，图5所示，所述的气动肌肉运动模拟控制平台系统主要包括三根气动肌肉4、铰链2、中心支柱3、中心圆球铰13、固定平台5、运动平台1、基座6、固定平台支撑15、基座支撑16、气动三联件14、气源连接软管19、气动肌肉的进气软管18、气动执行阀组件的进气软管17、气动执行阀组件7、位移传感器9、压力传感器8、输入转换模块12、控制器11和输出驱动放大模块10。

在所述的气动肌肉运动模拟控制平台装置中，运动平台1通过三根气动肌肉4和一个中心支柱3与固定平台5连接，三根气动肌肉4与运动平台1和固定平台5均用铰链2连接，且铰接点在运动平台1和固定平台5上沿圆周方向均匀分布。铰链2既可以是球铰，也可以是虎克铰，其目的使得气动肌肉4的连接端与运动平台1只有转动，气动肌肉4的另一连接端与固定平台5只有转动；三根气动肌肉4构成空间并联闭环结构。中心支柱3与固定平台5刚性连接，与运动平台1通过中心圆球铰13连接，且铰接点位于运动平台1的中心位置。中心圆球铰13也可为虎克铰，其目的使得中心支柱3与运动平台1只有转动；中心支柱3与固定平台5垂直。通过控制三根气动肌肉4的伸缩长度，可使该运动模拟控制平台实现各种二维转动。

固定平台5与基座6通过带螺纹的固定平台支撑15刚性连接，形成一个安装气动执行阀组件7和管路的空间；气动执行阀组件7既可安装在固定平台5的下侧即空间上方，也可安装在基座6的上侧即空间下方；气动三联件14既可安装在固定平台5的四周，也可安装在固定平台5的下侧即空间上方，还可安装在基座6的上侧即空间下方；基座6通过带螺纹的基座支撑16平放于地面。

气源通过气源连接软管19与气动三联件14相连，经气动三联件14与三组气动执行阀组件7的进气口通过气动执行阀组件的进气软管17分别相连，三组气动执行阀组件7a、7b、7c的出气口通过气动肌肉的进气软管18a、18b、18c分别与气动肌肉4a、4b、4c相连；三组气动执行阀组件7的控制端口与输出驱动放大模块10的输出端口电连接，输出驱动放大模块10的输入端口与控制器11的输出端口总线连接。气动执行阀组件7受控于控制器11发出的控制信号，用于控制气动肌肉的压力。

二个位移传感器9a、9b分别与二根气动肌肉4a、4b在气动肌肉4a、4b的伸缩方向上平行连接，其信号输出端口与输入转换模块12的输入端口电连接，输入转换模块12的输出端口与控制器11的输入端口总线连接。位移传感器9a、9b检测气动肌肉4a、4b的伸缩长度，传输到控制器11以便检测并为控制器11实现运动平台1的位姿控制提供信息和数据。

三个压力传感器8a、8b、8c的压力检测端口分别连接在三个气动肌肉4a、4b、4c的进气口处，其信号输出引线与输入转换模块12的输入端口电连接，转换模块12的输出端口与控制器11的输入端口总线连接；压力传感器检测气动肌肉4a、4b、4c的压力，传输到控制器以便检测并为控制器11实现气动肌肉的压力的控制提供信息和数据。

所述的运动模拟控制平台的电控部分包括输入转换模块12、控制器11和输出驱动放大模块10。输入转换模块12(研华的数据采集卡PCL711B)由采样保持电路和模/数转换电路组成，用于采集气动肌肉4的伸缩长度(或平台倾角)和压力等参数。控制器11(研华的工控机PC610)用工控机、单片机或可编程控制器等实现，其功能有：良好的人机界面交互，运动平台的位姿的伺服控制(包括性能优化和各种控制策略)，模拟运动的同步演示，数据保存等。人机界面交互完成运动平台1的期望位姿轨迹的设置；运动平台的位姿的伺服控制根据实时采集的伸缩长度和压力信号，按一定的控制要求和控制算法，输出气动执行阀组件7的期望控制量，从而实现气动肌肉4的控制，最终达到运动平台1的位姿控制。模拟运动的同步演示根据检测的气动肌肉4的伸缩长度和压力，在计算机中模拟真实的气动肌肉运动模拟控制平台的运动情形。数据保存记录气动肌肉4的伸缩长度和压力以及位姿控制的信息，以便查看和比较。输出驱动放大模块10(比例阀用研华的数/模转换板卡PCL728，高速开关阀用研华的波形输出板卡PCI1760)协调气动执行阀组件7的动作，并产生驱动气动执行阀组件7的实际控制信号。

如图6所示为运动平台1的位姿描述。在运动平台1和固定平台5上分别建立坐标系O-XYZ和O₁-X₁Y₁Z₁，坐标原点分别位于运动平台1和固定平台5的中心，x轴过铰链点A，y轴在运动平台1的平面内垂直于y轴，z轴垂直于运动平台1的平面。运动平台1动作时，O-XYZ相对于O₁-X₁Y₁Z₁的偏转角、俯仰角组成的向量即为运动平台1的位姿。控制装置的目的是使运动平台1的实际位姿轨迹会聚到参考位姿轨迹上，并保证较好的动态特性和高精度轨迹跟踪的性能。

图7所示是本发明的气动肌肉运动模拟控制平台的位姿控制方法的原理图。控制器11首先对期望位姿轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，得到得到参考位姿轨迹及其一阶微分量、二阶微分量和三阶微分量，即参考状态量；二个位移传感器9测得的气动肌肉4的伸缩长度信号，经过运动平台1的位姿正解，得到运动平台1的原始实际位姿，然后用微分状态观测器获得实际位姿及其一阶微分量和二阶微分量，与三个压力传感器8获得的气动肌肉4的压力信号一起组成实际状态量。控制器11根据参考状态量和实际状态量，在气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间、气动执行阀组件7的驱动空间与静态流量映射空间，按反步方法设计相应的名义控制量，名义控制量分别为期望压力、气动执行阀组件7的期望流量与期望控制量。此期望控制量经过气动执行阀组件7的组合控制率后，得到各组气动执行阀组件7的实际控制量，驱动气动执行阀组件7动作，实现运动平台1的位姿控制。

上述各级的名义控制量包括模型补偿项和鲁棒反馈项；根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，采用自适应参数更新获得模型参数的估计值，代替实际的但未知的模型参数，得到名义控制量的模型补偿项，以补偿因系统模型的参数不确定造成的误差；根据由实际状态量和参考状态量获得的广义跟踪误差，构造一个与之成线性比例或非线性比例关系的量，得到名义控制量的鲁棒反馈项，以抑制时变的不可知干扰的影响。

同时在期望压力设计中，结合预先设定的期望刚度的控制，以提高控制性能。

图8给出了具体实施例中气动执行阀组件7为高速开关阀时的气路图。以其中一根气动肌肉为例，由二个高速开关阀控制一根气动肌肉，实现气动肌肉的控制。组合控制率为：若期望控制量u>0，则阀V_a1按PWM方式进行开关控制，阀V_a2关闭，气动肌肉4a充气。反之，阀V_a2按PWM方式进行开关控制，阀V_a1关闭，气动肌肉4a放气。在运动平台1处于稳态的位姿时，二阀V_a1、V_a2同时关闭，这样可使耗气量大大降低，节省能量。

图9给出了具体实施例中气动执行阀组件7为比例压力阀时的气路图。由三个比例压力阀V_a、V_b、V_c分别控制三根气动肌肉4a、4b、4c，实现气动肌肉的控制。

参照图10描述位姿控制方法的程序流程：该程序以预定的时间间隔重复进行。

在步骤30，控制器11通过模/数采样获得气动肌肉4a、4b的伸缩长度和气动肌肉4a、4b、4c的压力。

在步骤31，根据步骤30获得的气动肌肉4a、4b的伸缩长度，按此运动模拟控制平台装置的运动学正解方法获得运动平台1的原始实际位姿。运动平台1的实际位姿，即实际偏转角、实际俯仰角，与二根气动肌肉4a、4b的伸缩长度之间存在一种非线性关系，这种非线性关系是由气动肌肉运动模拟控制平台装置的几何结构和尺寸决定的；初始位姿就是偏转角为零和俯仰角为零的情形；运动学正解方法，是根据二根气动肌肉4a、4b的伸缩长度，对初始位姿采用最小二乘迭代法或预先设置的拟合关系求出满足上述非线性关系的运动平台1的原始实际位姿y。

在步骤32，根据步骤31获得的运动平台1的原始实际位姿y作为输入量，通过式(1)形式的状态方程描述的微分状态观测器系统，得到实际位姿

实际位姿的一阶微分量

和实际位姿的二阶微分量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e1}={\hat{x}}_{e2}+a_1(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e2}={\hat{x}}_{e3}+a_2(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\stackrel{.}{^}}{x}}_{e3}=a_3(y-{\hat{x}}_{e1})\end{array}\right.---\left(1\right)$

等式中，y是运动平台1的原始实际位姿，

和

分别是微分状态观测器输出的运动平台1的实际位姿、实际位姿的一阶微分量和实际位姿的二阶微分量。微分状态观测器的特征方程为D(s)＝s³+a₁s²+a₂s+a₃，用极点配置方法设计观测器的参数a₁、a₂、a₃，使其特征根位于左半平面。

在步骤33，检测前面步骤获得的运动平台1的实际位姿是否合理，如果为否，则说明运动不合理，需要急停；实际位姿不合理，是指如由运动平台1的位姿计算的气动肌肉4的伸缩长度已经超出气动肌肉4允许的伸缩长度范围了。如果为正，则运行到步骤34。

在步骤34中，检测是否需要改变期望位姿轨迹，如为正，则进入步骤35。根据运动平台1的任务要求设置期望位姿轨迹。再进入步骤36，对期望位姿轨迹进行轨迹规划和轨迹整形。由期望位姿轨迹y_r，通过设计参数m₁、m₂、m₃，按式(2)运算得到具有连续性和光滑性的参考位姿轨迹y_d及其一阶微分量

二阶微分量

和三阶微分量

回到步骤37。

${\stackrel{...}{y}}_d+m_1{\stackrel{..}{y}}_d+m_2{\stackrel{.}{y}}_d+m_3{y}_d=m_3{y}_r---\left(2\right)$

轨迹规划及轨迹整形提供了运动平台1的位姿控制的参考信息(即参考状态量)。

若步骤34检测为否，则直接回到步骤37。

在步骤37中，获得当前采样时间点的参考状态量。

在步骤38中，检测是否需要改变运动平台1的期望刚度，如为正，则进入步骤39设置运动平台1的期望刚度，以灵活调节运动平台1的刚度，但期望刚度K_d的设置不应超过运动平台1的允许刚度范围。对最优的期望刚度K_dopt按使干扰噪声对控制量的增益最小的性能指标进行优化设计(式(12))，以提高控制性能。

$J_{\mathrm{opt}}=\left|{K_q}^{-1}\left(p_d\left(K_{\mathrm{dopt}}\right)\right){{\hat{f}}_m}^{-1}\frac{\∂p_d\left(K_{\mathrm{dopt}}\right)}{\∂\stackrel{.}{x}}\right|\→\min ---\left(12\right)$

然后回到步骤40。

若步骤38检测为否，则直接回到步骤40。

在步骤40中，获得当前采样时间点的期望刚度。

在步骤41中，根据参考状态量和实际状态量，在气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间、气动执行阀组件7的驱动空间和静态流量映射空间分步设计各级的名义控制量；各级的名义控制量包括模型补偿项和鲁棒反馈项；根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，采用自适应参数更新获得模型参数的估计值，代替实际的但未知的模型参数，得到名义控制量的模型补偿项，以补偿因系统参数的不确定造成的误差；根据由实际状态量和参考状态量获得的广义跟踪误差，构造一个与之成线性比例或非线性比例关系的量，得到名义控制量的鲁棒反馈项，以抑制时变的不可知干扰的影响。同时结合期望刚度控制来辅助运动平台1的位姿控制，提高控制性能。

设状态量为实际位姿、实际位姿的一阶微分量、气动肌肉的压力；即 $x={[{x_1}^T,{x_2}^T,{x_3}^T]}^T={[{\mathrm{\θ}}^T,{\stackrel{.}{\mathrm{\θ}}}^T,p^T]}^T.$ 气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型按式(3)计算。

$\left\{\begin{array}{c}M\left(x\right)\stackrel{..}{x}+C(x,\stackrel{.}{x})\stackrel{.}{x}+G\left(x\right)+F_f(x,\stackrel{.}{x})+d_t(x,\stackrel{.}{x},t)=\mathrm{\τ}=f_{\mathrm{\τ}}\left(x\right)p+g_{\mathrm{\τ}}\left(x\right)\\ \stackrel{.}{p}=f_m\left(x\right)q_m+g_m(x,\stackrel{.}{x},p)+d_m(x,\stackrel{.}{x},t)\\ q_m=K_q(p,\mathrm{sign}\left(u\right))u\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中M(x)为惯性矩阵；

为离心力和哥氏力矩阵；

为摩擦力项，G(x)为重力项，

分别为任务空间和关节空间的干扰量；f_m(x)，

f_τ(x)，g_τ(x)，

为非线性矩阵；p，q_m，u为相应的名义控制量。

各级的名义控制量的运算流程为：

1)任务空间的期望压力

任务空间的广义误差为 $z_2={\stackrel{.}{z}}_1+K_c{z}_1$ (z₁＝θ-θ_d为轨迹跟踪误差，K_c为正定对角矩阵)；未知参数用β_t表示(如未知惯量、阻尼、非线性名义干扰等)，参数辨识的回归量用

表示(是状态的非线性函数)，则期望驱动力矩τ_d分为模型补偿项τ_da和鲁棒反馈项τ_ds。

其中，模型补偿项为回归量

乘以估计的参数向量

与不含未知参数的非线性项f_c2之和。

鲁棒反馈项τ_ds分为两项，分别是用于实现期望系统动力学性能的控制项τ_ds1和抑制未知非线性干扰的控制项τ_ds2。

τ_ds1取为控制参数K₂乘以广义跟踪误差z₂的相反数。

τ_ds1＝-K₂z₂(5)

τ_ds2取为满足式(6)的任意的非线性函数(式中为任务空间的非线性不确定量，ε₂为任意小的正数)。

期望压力p_d由期望力矩τ_d和期望刚度K_d按式(7)获得(期望刚度K_d可按一定优化准则得到，Ψ₁(x₁)、Ψ₂(x₁)为位姿的非线性函数)。

$p_d={{\mathrm{\ψ}}_1}^{-1}\left(x_1\right)\{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\τ}}_d\\ K_d\end{array}\right]-{\mathrm{\ψ}}_2\left(x_1\right)\}---\left(7\right)$

2)气动执行阀组件7的驱动空间的期望流量

关节空间广义跟踪误差z₃＝p-p_d；未知参数用β_m表示(如多变指数、非线性名义干扰等)，参数辨识的回归量为

(是状态的非线性函数)，则期望流量q_md分为模型补偿项q_mda和鲁棒反馈项q_mds。

其中模型补偿项q_mda根据下式(8)求得

$q_{\mathrm{mda}}={{\hat{f}}_m}^{-1}(-{f_{\mathrm{\τ}}}^T{z}_2-{\hat{g}}_m-{\hat{d}}_{m0}+{\stackrel{.}{p}}_{\mathrm{dc}})---\left(8\right)$

鲁棒反馈项τ_ds分为两项，分别是用于实现期望系统动力学性能的控制项q_mds1和抑制未知非线性干扰的控制项q_mds2。

q_mds1为控制参数K₃和广义跟踪误差z₃的函数，如式(9)所示。

$q_{\mathrm{mds}1}=-{{\hat{f}}_m}^{-1}{K}_3{z}_3---\left(9\right)$

q_mds2取为满足下式的任意非线性函数(式中，

为关节空间的非线性不确定量，为不可计算的期望压力的微分部分，ε₃为任意小的正数)

3)气动执行阀组件7的静态流量映射空间的期望控制量

根据静态流量映射(式(3)中第三式)求逆映射得到驱动气动执行阀组件7动作的式(11)的期望控制量u，由于静态流量映射不含动态微分方程，u中鲁棒反馈项为零。

u＝K_q ^-1(p，sign(u))q_m  (11)

对上述模型，还可以扩展到考虑气动执行阀组件7的动态特性的动力学模型，按照反步方法的设计原则，同样可根据该动力学模型设计名义控制量。

在步骤42中，采用自适应参数更新，获得模型参数的估计值。

参数更新函数σ₂、σ₃按式(12)得到，其经过投影算法，限制参数范围得到参数更新率

投影算法为：

$\stackrel{\stackrel{.}{^}}{\mathrm{\β}}={\mathrm{Proj}}_{\widehat{\mathrm{\β}}}\left(\mathrm{\Γ\σ}\right)$

在步骤43中，用气动执行阀组件7的组合控制率计算实际控制量，与驱动气动执行阀组件7的实际控制信号是一种一一对应的关系；驱动气动执行阀组件7的实际控制信号，对比例控制阀来说是控制电压，对高速开关阀来说是开关时间。

在步骤44中，检测是否需要保存数据，若为正，则进入步骤45向文件写上述的实时采样的实际状态量、参考状态量和控制量等数据。若为否，则直接回到步骤46。

在步骤46中，检测是否收到停止命令，若为正，则停止运动。

Claims (10)

1.一种气动肌肉运动模拟控制平台装置，其特征在于：主要包括三根气动肌肉(4)、中心支柱(3)、固定平台(5)、运动平台(1)、基座(6)、气动三联件(14)、气动执行阀组件(7)、二个位移传感器(9)、三个压力传感器(8)、输入转换模块(12)、控制器(11)和输出驱动放大模块(10)；三根气动肌肉(4)与运动平台(1)和固定平台(5)均用铰链(2)连接，且铰接点在运动平台(1)和固定平台(5)上沿圆周方向均匀分布，中心支柱(3)与固定平台(5)中心刚性连接，而与运动平台(1)中心通过中心圆球铰(13)连接；固定平台(5)与基座(6)通过带螺纹的固定平台支撑(15)刚性连接；气源通过气源连接软管(19)与气动三联件(14)相连，气动三联件(14)的输出端通过气动执行阀组件的进气软管(17)分别与三组气动执行阀组件(7)的进气口相连，三组气动执行阀组件(7)的出气口通过气动肌肉的进气软管(18)分别与气动肌肉(4)相连；三组气动执行阀组件(7)的控制端口与输出驱动放大模块(10)的输出端口电连接，输出驱动放大模块(10)的输入端口与控制器(11)的输出端口总线连接；二个位移传感器(9)分别与气动肌肉(4)在气动肌肉(4)的伸缩方向上平行连接，三个压力传感器(8)的压力检测端口分别连在各自气动肌肉(4)的进气口处，二个位移传感器(9)和三个压力传感器(8)的信号输出端口分别与输入转换模块(12)的输入端口电连接，输入转换模块(12)的输出端口与控制器(11)的输入端口总线连接。

2.根据权利要求1所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置，其特征在于：所述的铰链(2)为球铰，或虎克铰，使得气动肌肉(4)的连接端与运动平台(1)只有转动，与固定平台(5)只有转动；中心圆球铰(13)使得中心支柱(3)与运动平台(1)只有转动；中心支柱(3)与固定平台(5)垂直。

3.根据权利要求1所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置，其特征在于：

所述的三根气动肌肉(4)构成空间并联闭环结构；气动肌肉(4)的两个连接端能反向安装；

所述的气动执行阀组件(7)为三组气动执行阀组件(7a)(7b)(7c)，采用开环调节或闭环调节；气动执行阀组件(7)为高速开关阀、比例换向阀、比例压力阀或比例流量阀。

4.根据权利要求1所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置，其特征在于：所述的位移传感器(9)为拉线电阻式、磁致伸缩式或电感式位移传感器；检测气动肌肉(4)的伸缩长度的位移传感器(9)能用倾角传感器代替，用来直接检测平台位姿。

5.一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：当给出运动平台(1)的期望位姿轨迹时，采用位姿控制方法，使得运动平台(1)的实际位姿轨迹会聚到参考位姿轨迹上；

对运动平台(1)的期望位姿轨迹进行轨迹规划和轨迹整形，得到参考位姿轨迹及其一阶微分量、二阶微分量和三阶微分量，为控制器(11)的设计提供参考状态量；

用二个位移传感器(9a)(9b)分别检测二根气动肌肉(4a)(4b)的伸缩长度，经过运动平台(1)的位姿正解，得到运动平台(1)的原始实际位姿；

用微分状态观测器获得实际位姿及其一阶微分量和二阶微分量；实际位姿及其一阶微分量和二阶微分量为控制器(11)的设计提供实际状态量；

用三个压力传感器(8a)(8b)(8c)检测三根气动肌肉(4a)(4b)(4c)的压力，为控制器(11)的设计提供实际状态量；

用实际位姿、实际位姿的一阶微分量和压力，分别减去参考位姿、参考位姿的一阶微分量和期望压力得到误差状态量，误差状态量的线性组合构造广义跟踪误差；

根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间、气动执行阀组件(7)的驱动空间与静态流量映射空间，按反步方法设计相应的名义控制量，名义控制量分别为期望压力、气动执行阀组件(7)的期望流量与期望控制量；

上述各级的名义控制量包括模型补偿项和鲁棒反馈项；根据气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，采用自适应参数更新获得模型参数的估计值，代替实际的但未知的模型参数，得到名义控制量的模型补偿项；根据广义跟踪误差，构造一个与之成线性比例或非线性比例关系的量，得到名义控制量的鲁棒反馈项；

最后得出的气动执行阀组件(7)的期望控制量经过一种组合控制率的运算，从控制器(11)的输出端口，通过输出驱动放大模块(10)，输出给三组气动执行阀组件(7)的控制端口。

6.根据权利要求5所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：

所述的运动平台的位姿，是指建立在运动平台(1)上的运动坐标系相对于建立在固定平台(5)上的固定坐标系的偏转角、俯仰角；运动平台(1)的实际位姿轨迹会聚到参考位姿轨迹上，即运动平台(1)的实际偏转角、实际俯仰角会聚到运动平台(1)的参考偏转角、参考俯仰角；

所述的状态量是指运动平台(1)的位姿、位姿的一阶微分量、位姿的二阶微分量、位姿的三阶微分量和气动肌肉(4)的压力；

所述的期望位姿轨迹，是对运动平台(1)的位姿的运动形状和运动频率的预先设置；

所述的轨迹整形，是用运动平台(1)的期望位姿轨迹y_r作为输入量，通过一个由下列形式的线性微分方程所描述的系统

${\stackrel{...}{y}}_d+m_1{\stackrel{..}{y}}_d+m_2{\stackrel{.}{y}}_d+m_3{y}_d=m_3{y}_r$

生成输出量y_d及其一阶微分量

、二阶微分量和三阶微分量

作为参考位姿及其参考位姿的一阶微分量、参考位姿的二阶微分量和参考位姿的三阶微分量。

7.根据权利要求5所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：运动平台(1)的实际位姿，即实际偏转角和实际俯仰角，与二根气动肌肉(4)的伸缩长度之间存在一种非线性关系，这种非线性关系是由气动肌肉运动模拟控制平台装置的几何结构和尺寸决定的；初始位姿就是偏转角为零和俯仰角为零的情形；所述的位姿正解，是根据二根气动肌肉(4)的伸缩长度，对初始位姿采用最小二乘迭代法或预先设置的拟合关系，求出满足上述非线性关系的运动平台(1)的原始实际位姿y。

8.根据权利要求5所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：所述的微分状态观测器，是用运动平台(1)的原始实际位姿y作为输入量，通过下列形式的线性状态方程所描述的系统，得到实际位姿

、实际位姿的一阶微分量

和实际位姿的二阶微分量

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{\hat{x}}}_{e1}={\hat{x}}_{e2}+a_1(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\·}{\hat{x}}}_{e2}={\hat{x}}_{e3}+a_2(y-{\hat{x}}_{e1})\\ {\stackrel{\·}{\hat{x}}}_{e3}=a_3(y-{\hat{x}}_{e1})\end{array}\right.$

9.根据权利要求5所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：所述的名义控制量，是基于气动肌肉运动模拟控制平台装置的数学模型，根据运动平台(1)的参考状态量、实际状态量和预先设定的期望刚度，通过反步方法获得的；包括：

根据实际位姿及其一阶微分量、二阶微分量和参考位姿及其一阶微分量、二阶微分量、三阶微分量，从气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间的数学模型得到气动肌肉运动模拟控制平台装置的任务空间的期望驱动力矩；然后根据期望驱动力矩和预先设定的期望刚度获得第一级的名义控制量，即期望压力；

根据运动平台的实际位姿、期望压力和气动肌肉(4)的压力，在气动执行阀组件(7)的驱动空间得到第二级的名义控制量，即气动执行阀组件(7)的期望流量；

根据气动执行阀组件(7)的期望流量和气动肌肉(4)的压力，在气动执行阀组件(7)的静态流量映射空间得到第三级的名义控制量，即气动执行阀组件(7)的期望控制量。

10.根据权利要求5所述的一种气动肌肉运动模拟控制平台装置的运动平台的位姿控制方法，其特征在于：所述的气动执行阀组件(7)的期望控制量，与驱动气动执行阀组件(7)的实际控制信号是一种一一对应的关系，这种关系称为气动执行阀组件(7)的组合控制率；驱动气动执行阀组件(7)的实际控制信号，对比例控制阀来说是控制电压，对高速开关阀来说是开关时间。

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