摘 要

近年来，由于老龄化加剧、运动受伤和各种疾病等缘由，我国肢体受损的人数逐年增多，专业护理人员不足，康复医疗资源紧缺。机器人辅助康复策略作为一种智能康复手段，可以有效缓解康复资源紧缺问题，提高康复训练效率。气动肌肉是一种新型的柔性气动驱动器，其驱动特性能很好地拟合生物肌肉特性，具有输出力/自重比大、功率/体积比大、重量轻、柔顺性好、价格低、清洁等优势，适宜用于安全性与柔顺性要求极高的康复医疗领域。因此，基于气动肌肉驱动的康复机器人具有很好的发展远景。气动肌肉的动态模型是实现气动肌肉驱动的康复机器人精确运动控制的基础。因此，建立气动肌肉精确的动态模型对实现高效的机器人辅助患者康复训练至关重要。

本课题主要研究FESTO气动肌肉为研究对象，研究其三元素气象学动态建模方法并构建实验室环境下的建模实验平台软硬件系统。主要完成的研究内容有：

1. 针对气动肌肉工作机理，研究FESTO气动肌肉的物理特性，查阅相关文献并深入研究人工气动肌肉的物理结构特性以及运动过程中的非线性、时变性、迟滞性等动态响应特性；
2. 针对气动肌肉的运动特性，研究单根气动肌肉的三元素建模理论，建立满足气动肌肉实际运动过程中的变化特性的动态模型，并设计实验求解气动肌肉动态模型并验证其可行性；
3. 对比不同建模方法的效果，研究气动肌肉理论建模与经验建模理论，经过试验对比验证三元素建模法的性能优势，提出未来研究中气动肌肉建模的改进方向与优化方法。

关键词：气动肌肉；动态模型；三元素建模；BP神经网络

Abstract

In recent years, due to increased aging, sports injuries and a variety of diseases and other reasons, the physically disabled people has increased year by year while the therapists are lack of rehabilitation medical resource sortage. Robot-assisted rehabilitation strategy as an intelligent means of rehabilitation, can effectively alleviate the shortage of rehabilitation resources, effectively improve the efficiency of rehabilitation training. Pneumatic muscle actuators (PMAs) are new type of flexible actuators, having similar driving characteristics with human muscle, which have advantages of high power/weight ratios, high power/volume ratios, light weight, inherent compliance, cheap and cleanliness compared to traditional actuators. They are appropriated for rehabilitation medical field which has high demand for safety and flexibility. Therefore, based on pneumatic muscle-driven rehabilitation robot has good development prospects. The dynamic model of pneumatic muscle is basis for the precise motion control of the rehabilitation robot driven by pneumatic muscle. Therefore, establishment of accurate dynamic model of pneumatic muscle is essential to achieve efficient robot-assisted rehabilitation training.

This paper mainly studies FESTO pneumatic muscle as the research object, studied its three elements meteorology dynamic modeling method and constructs the hardware and software system of modeling experiment platform under laboratory environment. The main research contents are:

1. In view of the working mechanism of pneumatic muscle, study the basic characteristics of FESTO pneumatic muscles, consult relevant literature and in-depth study the physical structure of artificial pneumatic muscles and the non-linear, time-varying, hysteresis and other dynamic response characteristics during the movement;
2. For the movement of pneumatic muscle, the three-element modeling scheme of single artificial pneumatic muscle is designed to meet the changing characteristics of the pneumatic muscle during the actual movement, and the theoretical dynamic model of pneumatic muscle is designed and verified to verity its feasibility by designing relevant experiments;
3. Compare the effects of different modeling methods, study the theory of pneumatic muscle modeling and empirical modeling, to verity the performance advantages of the three-element modeling method, and to propose the improvement direction and optimization method of pneumatic muscle modeling in future research.

Keywords: pneumatic muscle actuators(PMAs); dynamic model; three-element modeling; BP neural network

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 理论建模法国内外研究现状 2

1.2.2 经验建模法国内外研究现状 2

1.2.3 三元素建模法国内外研究现状 3

1.3 本文研究内容和安排 4

1.3.1 本文的主要研究内容 4

1.3.2 本文的组织结构 4

第2章 气动肌肉建模及驱动系统设计 6

2.1 气动肌肉结构介绍 6

2.2 气动肌肉建模方法研究 7

2.2.1 理论建模方法研究 7

2.2.2 基于BP神经网络的经验建模方法研究 8

2.2.3 三元素建模方法研究 10

2.3 本章小结 11

第3章 气动肌肉模型实验平台构建与性能验证 12

3.1 气动肌肉实验平台构建 12

3.1.1 设备选型与连接 12

3.1.2 实验软件设计 13

3.2 实验方案设计 14

3.2.1 三元素建模实验方案设计 14

3.2.2 BP神经网络建模实验方案设计 17

3.3 性能测试结果分析 18

3.3.1 三元素模型分析 18

3.3.2 基于BP神经网络的模型分析 18

3.4 本章小结 19

第4章 总结与展望 21

4.1 工作总结 21

4.2 工作展望 21

参考文献 22

致谢 24

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

近年来，由于老龄化加剧、运动受伤和各种疾病等导致的肢体运动功能障碍患者正在日益增多，这必然影响着患者正常的日常生活。传统的体能恢复训练是由专业的训练医师对肢体运动功能障碍患者采取专门的运动功能康复练习。但是传统运动康复训练对专业康复医师的要求较高，而医疗师资源有限，康复练习必须坚持不断才有效果，因此导致康复训练价格相对很高。同时，康复医师在一种重复的康复训练中会感到疲倦而容易疏忽，这些都导致传统康复方法有很大的局限性。康复机器人的出现有效的解决了以上难题。依据病人身体机能状况制定出适合患者强度的康复练习，让康复机器人辅助患者进行准确的肢体运动康复练习，可加速病人运动能力的恢复。此外，康复机器人还能够实时采集病人在恢复练习中肢体运动的各项参数，供医疗师评价恢复练习的成果以及制定下阶段恢复练习方案的依据。气动肌肉是一种由气压驱动的柔性驱动器，不但具备顺从性好、安全性高、输出功率/自重比大、清洁、价钱低等优势，而且和人类肌肉有类似的输出特性，因而十分适合应用在医疗康复工程中。

气动肌肉作为一种新型气动制动器，已有许多国内外研究机构对其建模及控制方法进行了广泛研究^[1]。1957年，气动肌肉被美国医生Joseph. L. McKibben初次应用于医疗痊愈范畴，他以气动肌肉为驱动，设计了一款手腕驱动设备，可以帮助损伤手腕实施康复练习，并用其自己的名字为这款人工肌肉定名，即现在的McKibben气动肌肉^[2]。20世纪80年代，关于气动肌肉的应用重新在日本兴起。基于先前出现的McKibben型气动肌肉，日本的Bridgestone Rubber公司推出来Rubbertuator制动器，他们在当时开发的多关节自由度的机器臂中用它制动，其重量比当时的工业机器人轻很多，安全性也很高，此后气动肌肉便进入了实际应用范畴，其潜在价值逐渐被人们发掘，研究工作也随之兴起^[3]。