摘 要

气动肌肉是一种新型的柔性气体驱动器，它由内部的压缩空气作为驱动，如人体的肌肉运动一样做推拉动作。气动肌肉具备较轻的重量、较大的输出功率/自重比、低廉的价格和安全清洁等优点，并且其驱动力大小与长度的输出关系和人类肌肉的功能特性较为相似，有很好的顺从性，能够很好地被大范围应用于仿生机器人和康复医疗领域。脚踝康复机器人用气动人工肌肉作为驱动器在康复医疗领域有很好的实际应用前景，可以精准有效地帮助患者进行康复训练，同时能够确保患者在康复训练时的安全性。

本文研究的是一个具有两自由度、三根气动肌肉驱动、存在一个冗余驱动的脚踝康复机器人，先设计一个PID控制作为底层控制，然后在其基础上增加一个上层控制算法来实现简单的人机交互，最后通过上位机软件Labview来实现对机器人的实时控制。本文研究主体内容如下：

1. 根据对气动人工肌肉工作原理与工作特性的研究，建立了有效的气动肌肉数学模型，对气动肌肉所驱动机器人的实际控制打下基础，介绍了实验所用的机器人实验平台及其工作原理，简要分析了脚踝康复机器人在机械运动方面的有关知识。
2. 研究了脚踝康复机器人的力控制方法，从阻抗控制这个方面进行了分析，本文采用的是基于位置内环的阻抗控制方式，经由三根气动肌肉进行气动驱动力的分配和力的跟踪控制，来保证平台的输出符合患者康复所需的力矩。

关键词：气动肌肉，脚踝康复机器人，阻抗控制

Abstract

Pneumatic muscle is a new type of flexible gas driver. It is driven by the internal compressed air and acts as a push-pull action like the muscle movement of the human body. Pneumatic muscles have the advantages of light weight, large output power/weight ratio, low price, safe cleaning, etc., and the output relationship between the size and length of the driving force and the functional characteristics of human muscles are similar and have good compliance. Sex can be widely applied in the field of bionic robots and rehabilitation medicine. The use of pneumatic artificial muscles as an actuator for ankle rehabilitation robots has a good practical application prospect in the field of rehabilitation medicine. It can accurately and effectively help patients with rehabilitation training, and at the same time ensure the safety of patients during rehabilitation training.

This article studies an ankle rehabilitation robot with two degrees of freedom, three pneumatic muscle drivers, and a redundant driver. First design a PID control as the bottom control, and then add an upper control algorithm to achieve a simple man-machine. Interaction, and finally through the upper computer software Labview to achieve real-time control of the robot. The main content of this article is as follows:

(1) According to the research on the working principle and working characteristics of pneumatic artificial muscles, an effective mathematical model of pneumatic muscles is established, which lays the foundation for the actual control of pneumatic muscle driven robots, introduces the robot experimental platform used in experiments and its working principle. A brief analysis of the ankle rehabilitation robot in the knowledge of mechanical movement.

(2) The force control method of the ankle rehabilitation robot is studied and analyzed from the aspect of impedance control. This paper uses the impedance control method based on the position inner ring to distribute the pneumatic driving force and track the force through three pneumatic muscles. , to ensure that the platform's output meets the patient's requirement for recovery.

Key words: pneumatic artificial muscle (PAM)，ankle rehabilitation robot，impedance control

目录

第一章 绪论 1

1.1研究的目的及意义 1

1.2 气动肌肉控制国内外研究现状 2

1.3本文主要研究内容与组织结构 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

第二章 基本原理 5

2.1研究与建立气动肌肉理想模型 5

2.1.1气动肌肉结构及其工作原理 5

2.1.2气动肌肉的理想模型 6

2.2脚踝康复机器人实验平台 8

2.3阻抗控制原理 10

2.3.1机器人阻抗控制 10

2.3.2机器人阻抗控制的实现方法 11

2.4本章小结 11

第三章 脚踝康复机器人的力控制方法研究与实现 12

3.1脚踝康复机器人的位置控制方法研究 12

3.1.1机器人位置控制系统方案 12

3.1.2 PID控制方法及其实现 13

3.2脚踝康复机器人的力控制方法研究 13

3.2.1气动肌肉驱动脚踝康复机器人的阻抗控制 14

3.3实验结果与分析 16

3.4本章小结 23

第四章 总结与展望 24

4.1全文工作总结 24

4.2下一步工作展望 24

参考文献 25

致谢 27

第一章 绪论

1.1研究的目的及意义

近年来，气动肌肉作为一种新型的气动驱动器被广泛研究，它主要由外部的刚性编织网和内部的圆柱形橡胶管构成，内部橡胶管的两端经过了密闭加工，使其内部能保持一个封闭的空间，如图1.1所示。

图1.1 气动肌肉