本發(fā)明涉及一種氣動人工肌肉(Pneumatic artificial muscle,PAM)作動器，尤其是涉及一種氣動人工肌肉作動器參數(shù)標定方法。

背景技術(shù)：

硅膠管和纖維套之間一般難以完好配合，而且硅膠管與氣動接口之間裝配時也容易存在一定間隙。在充氣后，硅膠管先膨脹一定程度，各種間隙消失后才會將氣動力傳遞給纖維套，氣壓主要用于克服硅膠管的彈性變形。因此，在氣壓-最大輸出力關(guān)系曲線(直線)上可觀察到氣壓不為零，而最大輸出力為零的現(xiàn)象，這與理論模型不符，可稱為“死區(qū)”。通常的做法求得克服“死區(qū)”所需的氣壓值，在實際使用時，先給PAM施加這個氣壓值，然后將在此基礎(chǔ)上增加的氣壓值作為模型的輸入，預測之后各種收縮比下的輸出力。然而，這種做法并不符合實際產(chǎn)生“死區(qū)”的原因，因此使隨后的輸出力預測誤差較大，影響PAM的控制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種氣動人工肌肉作動器參數(shù)標定方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種氣動人工肌肉作動器(PAM)參數(shù)標定方法，所述的標定參數(shù)包括初始無輸出力的收縮比λ₀和編織角度θ，所述的標定方法具體包括以下步驟：

(1)在PAM未充氣下，收縮比λ＝0的情況下將其固定到測力儀器上，對其充氣，由于測力儀器的夾持使λ＝0；測量PAM在n個氣壓下的最大輸出力，記為f_max,i，其中i＝1,2,3,…，n；將f_max,i和氣壓p_i使用最小二乘法進行擬合，擬合出的函數(shù)為f_max,i＝ap_i-b，其中a、b為正的常數(shù)；基于f_max,i-p_i擬合直線的斜率和理論模型f_max,i＝f(0,p_i,θ)斜率相符求得編織角的初值θ₀；

(2)使用模型求解由纖維松弛導致的初始無輸出力變形λ₀；采用試湊法，給定一個λ₀,計算編織角為θ₀的理論模型在變形為λ₀時的做動力，即f_λ0,i＝f(λ₀,p_i,θ₀)，同時計算出理論模型在變形為零的情況下的最大輸出力，即f_0,i＝f(0,p_i,θ)，令初始變形造成的輸出力降低值為Δf_i＝f_0,i-f_λ0,i，接下來假定不存在松弛和間隙的情況下該PAM在各個氣壓下的最大輸出力為將所有的再次作為p_i的函數(shù)進行最小二乘法擬合，如果得到的函數(shù)截矩小于設(shè)定第二閾值，即得到函數(shù)則確定了初始變形λ₀的值，反之，繼續(xù)假定一個λ₀重復步驟(2)；

(3)用擬合曲線的斜率再對纖維角度θ進行標定，假定一個角度θ，在各個壓力p_i下，當使用理論模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)計算得到的f_0,i-p_i曲線斜率與步驟(2)中斜率差值小于設(shè)定第三閾值，確定此時的編織角值為θ₁，反之，執(zhí)行步驟(4)；

(4)由于編織角θ發(fā)生了調(diào)整，因此理論模型中的θ也發(fā)生了變化，故再次按第(2)步重新計算λ₀，其中的θ₀取值為θ₁，按第(3)步重新計算θ，如此迭代，當本輪步驟(2)中得到的各個與上一輪步驟(2)中得到的各個的差值小于設(shè)定第四閾值，停止計算，得到該PAM的初始變形λ₀和編織角θ。

所述的步驟(1)擬合出的函數(shù)形式的意義為氣壓未等于零時最大輸出力為零，氣壓力用于抵消纖維張緊前PAM中材料的變形。

所述的步驟(1)基于f_max,i-p_i擬合直線的斜率和理論模型f_max,i＝f(0,p_i,θ)斜率相符求得編織角的初值θ₀具體為：

假定一個θ值，用理論模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)，求得各個p_i下的輸出力f_0,i，如果p_i-f_0,i曲線的斜率和a的差小于設(shè)定第一閾值，則將此時的θ值作為編織角的初始值θ₀。

充壓后收縮的PAM作動器輸出力f與收縮比λ、內(nèi)外氣壓差p、纖維編織角θ有關(guān)，模型的函數(shù)形式為：

f＝f(λ,p,θ)。

所述的λ＝(L₀-l)/L₀，l為收縮過程中氣動人工肌肉的某時刻的長度，L₀為沒有氣動壓力和外力作用下的PAM的長度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明進行PAM的無做動力輸出的初始變形和纖維編織角的標定，從而修正PAM作動器在行程范圍內(nèi)的輸出力模型，從而解決了氣動人工肌肉作動器中普遍存在的纖維松弛、裝配間隙和纖維編織角誤差的問題。

附圖說明

圖1為最大輸出力的處理曲線圖；

圖2為各氣壓下輸出力和收縮比關(guān)系曲線圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都應屬于本發(fā)明保護的范圍。

充壓后收縮的PAM作動器輸出力f通常與收縮比λ、內(nèi)外氣壓差p、纖維編織角θ和其他PAM本身材料屬性有關(guān)，不考慮本身材料屬性的影響，f為前3個參數(shù)的函數(shù)，即

f＝f(λ,p,θ)

其中λ＝(L₀-l)/L₀，l為收縮過程中氣動人工肌肉的某時刻的長度，L₀為沒有氣動壓力和外力作用下的PAM的長度

理論上λ為0時的輸出力最大，但由于纖維松弛和裝配間隙的原因，當氣動人工肌肉產(chǎn)生一定變形后，才有力輸出。由于存在這個初始變形，纖維的角度較初始狀態(tài)下也發(fā)生了變化，使最大輸出力小于理論值，使實際輸出與理論值存在誤差。另外，纖維編織角度在制造時也存在誤差，也需要標定。

初始變形比λ₀和編織角度θ的標定過程如下：

(1)在PAM未充氣下，λ＝0的情況固定到測力儀器上，對其充氣，儀器的夾持使λ＝0。測量PAM在n個氣壓下的輸出力，也就是相應的最大輸出力，記為f_max,i(i＝1,2,3,…，n)，理論上該力為氣壓的線性函數(shù)，且氣壓為零時最大力為零。使用最小二乘法擬合該函數(shù)。由于存在纖維的松弛和間隙現(xiàn)象，因此擬合出的函數(shù)為f_max,i＝ap_i-b，如圖1中所示，其中a、b為正的常數(shù)。該函數(shù)形式的意義為氣壓未等于零時最大輸出力為零，氣壓力用于抵消纖維張緊前PAM中材料的變形。采用試湊法求編織角的初值，假定一個編織角θ，用函數(shù)f_0,i＝f(0,p_i,θ)，求得各個p_i下的輸出力f_0,i，如果p_i-f_0,i曲線的斜率和a的差足夠小，則將此時的θ值作為編織角的初始值θ₀。

(2)使用模型求解由纖維松弛導致的初始變形λ₀。采用試湊法，給定一個λ₀,計算理論模型在變形為λ₀時的輸出力，即f_λ0,i＝f(λ₀,p_i,θ₀)，同時計算出理論模型在變形為零的情況下的最大輸出力，即f_0,i＝f(0,p_i,θ₀)，令初始變形造成的輸出力降低值為Δf_i＝f_0,i-f_λ0,i，接下來假定不存在松弛和間隙的情況下該PAM在各個氣壓下的最大輸出力為將所有的再次作為p_i的函數(shù)進行最小二乘法擬合，如果得到的函數(shù)截距足夠接近于零，即得到函數(shù)則確定了初始變形λ₀的值，反之，繼續(xù)假定一個λ₀重復上述過程。

(3)再對纖維角度θ進行標定，假定一個角度θ，在各個壓力p_i下，當使用理論模型f_0,i＝f(0,p_i,θ)計算得到的f_0,i-p_i曲線斜率與步驟(2)中曲線斜率足夠接近后，確定此時編織角的值θ₁，反之，繼續(xù)重復本步驟求解編織角θ。

(4)由于編織角θ發(fā)生了調(diào)整，因此理想輸出力模型中的θ也發(fā)生了變化，故再次按第(2)步重新計算λ₀，第(2)步中的θ₀取值為θ₁，按第(3)步重新計算θ，如此迭代，當所得與上一輪計算的足夠接近后，停止計算，得到該PAM的初始變形λ₀和編織角θ。

對某一氣壓p_i和測量收縮比λ下的輸出力模型為f_λ,p＝f(λ+λ₀,p,θ)，總收縮比λ+λ₀和輸出力f_λ,p關(guān)系曲線及λ₀如圖2所示。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應以權(quán)利要求的保護范圍為準。