1.1 研究目的及意义

当下我国已逐步进入老年化社会，老年人在年龄增长过程中，生理机能会出现显著衰退，肢体灵活性也会不断下降。此外，由于各种疾病和交通意外等造成的关节和肌肉损伤的病人正在日益增加。医学理论证明，对于肢体损伤患者，在进行前期的手术与药物治疗之后，进行适量的、科学的术后康复训练能够有效地提高肢体运动机能的恢复效果。传统的康复方法需要康复师对患者进行一对一的人工康复，康复成本比较高，同一病人接受康复训练的时间有限，康复效果往往不佳。采用机器人来辅助病人进行康复训练，而且可以制定科学合理的康复训练任务，让机器人带动患者进行运动，加快患者肢体运动能力的恢复。机器人还能够记录康复训练过程中肢体的各项参数，作为康复医生评估康复效果的依据。

气动肌肉是一种与人类肌肉输出特性类似的柔性气动驱动器件，它具有质轻、输出功率/自重比大、安全性好、清洁、价格低等优点，其输出力随着收缩位移的增大而减少。由于上述优越的特性，在康复医疗工程领域的相关应用中，气动肌肉具有很好的优势。

1.2 国内外研究现状

K. Balasubramanian等利用模糊理论非线性建模方法建立了基于前馈的线性化控制方法，控制器利用从气动肌肉获得的数据设计，不需要建立气动肌肉数学模型，控制器参数随着时间和不同操作环境而改变。韩国蔚山大学TU Diep Cong Thanh等使用非线性PID控制器提高了两轴气动肌肉机械手臂的控制性能，将传统PID控制器和神经网络进行巧妙融合，提出神经网络非线性PID控制器，适合于非线性强、不确定性和干扰大的控制对象，实验验证了控制器优越的控制性能以及抗外界干扰性。日本中央大学的Taro Nakamura等研究了基于数学模型的气动肌肉位置与力控制，实验采用的气动肌肉经过玻璃纤维加固，比一般的气动肌肉具有更好的柔性，实验结果表明位移与力控制都取得了不错的跟踪效果。K. Xing等研究了气动肌肉驱动器的动态特性和非线性控制，提出了基于非线性扰动观测器的滑模控制器，建立了适用于手康复的低气压范围内的气动肌肉模型，将其工作特性近似为分段函数，仿真和实验结果证明了提出的模型与控制方法轨迹跟踪的准确度很高。Tri Vo Minh等通过采用Maxwell滑动单元模型对单根气动肌肉的气压/长度迟滞进行了建模，该模型用于级联位置控制策略的前馈路径，实验结果证明了相比没有迟滞补偿的控制器，加了迟滞补偿的单根气动肌肉的位置控制效果得到了有效地提高，并且控制器对外部负载的变化具有很强的鲁棒性。Lin Chih-Jer等人也研究了气动肌肉的迟滞特性，建立了双重气动肌肉系统的PI模型，并将该模型作为滑模控制器的前馈补偿，减少了系统的跟踪误差。美国阿拉巴马大学Xiangrong Shen设计了一个完整的非线性模型，包括了气动肌肉伺服系统的所有主要非线性因素，在该模型基础之上，提出了一个滑模控制器，阶跃响应和不同频率的正弦跟踪实验表明该控制器在模型不确定以及干扰存在的情形下能够获得很好的鲁棒性控制效果。Thananchai Leephakpreeda等采用模糊逻辑控制器对开关气压阀气动肌肉系统进行了控制，控制器的参数由多层反馈神经网络给出，控制方法在实验中有很好的表现。Ho Pham Huy Anh等利用反向NARA模糊模型设计了一个混合控制器，用于对气动肌肉驱动的两自由度机械手臂进行控制，实验证明了该控制器效果优于传统的PID控制。Mervin Chandrapal等设计了一种新型的自组织模糊控制器用于对气动肌肉进行位置与力控制，通过与PD控制器以及固定规则模糊控制器进行对比，验证了该控制器的控制效果。Bong-Soo Kang从人机交互安全性的角度出发，利用滑模控制器对拮抗驱动气动肌肉系统进行力跟踪控制，实验证明提出的控制方法比传统的经过参数优化的PID控制器具有更好的跟踪效果。J. Wu等人为了提高气动肌肉控制系统的精度，提出了一种新型的动态表面非线性扰动观测器控制方法，仿真以及实物实验都证明了控制算法对于气动肌肉控制系统的有效性。Shameek Ganguly等研究了气动肌肉驱动的单自由度操作器的位置控制，提出了一种新的方法为系统建立一个准确的实验模型，气动肌肉的准静态特性首次被建模，采用方法的控制效果与最新的研究成果相当。

在国内，北京理工大学范伟、彭光正等人重点研究了气动肌肉的位置控制与力控制，分别采用PID控制、自组织模糊PID控制、神经元自适应PSD控制等控制策略对其进行控制，实验结果显示，自组织模糊PID控制的位移跟踪效果最好，PID控制的力跟踪效果较好。刘昱等基于非线性反馈理论提出了改进型无模型自适应控制器用于气动肌肉群驱动的机器人，控制器具有较好的控制精度与系统调节速度。同时，他们还研究了该机器人基于位置PID内环的阻抗控制。金英连等也研究了气动肌肉的阻抗控制，并通过仿真实验证明了气动肌肉阻抗参数中刚度对于力控制影响较大。华中科技大学的杨钢利用两层滑模模糊变结构控制器对气动肌肉并联平台进行位置控制，解决了一般变结构控制器的超调与抖动现象，提高了控制的精确性。李宝仁、杨钢还提出了一种基于CMAC的变结构控制器，具有很好的位置控制精度。隋立明等利用输入整形、前馈控制以及非线性PI控制等技术，解决了气动肌肉驱动关节位置控制误差大、阶跃响应存在振荡的问题，提高了控制的响应速度与精度。浙江大学朱笑丛设计了自适应鲁棒控制器对三自由度气动肌肉并联机器人进行位置轨迹跟踪控制，为消除平台冗余的控制自由度，定义了平台的期望等效平均刚度，并对其进行了约束与优化，这样不仅减少了平台的振荡而且确保了跟踪的高精度。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容及目标

气动肌肉是一种新型的柔性驱动器，具有重量轻、输出功率/重量比大、安全性好、价格低廉和清洁等优点。现在针对一个具有两自由度三根气动肌肉驱动的脚踝康复机器人先设计一个PID控制方法，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。本文主要内容如下：

（1）气动肌肉的工作原理及脚踝康复机器人运动学分析。

在介绍气动肌肉基本结构、工作原理与工作特性的基础之上，利用能量守恒原理获得了气动肌肉的理想模型。由于气动肌肉理想模型与实际存在较大偏差，结合实验方法，利用迟滞模型建立了气动肌肉的实验数学模型。同时，介绍脚踝康复机器人实验平台的工作原理、硬件组成，开发机器人的上位机软件控制系统，分析机器人的运动学原理，为后续的机器人控制做铺垫。