技術摘要
本案透過具備仿生特性的氣壓肌肉致動器(Pneumatic Muscle Actuator, PMA)結合渦卷彈簧或扭轉彈簧組成並聯彈性體致動關節，開發出新型七自由度仿人機械手臂，並設計出使控制能量消耗降低且具精確性與抗干擾能力的控制器。於機構設計方面，根據人體手臂的生理結構、關節順序與運動特徵設計出不同的關節結構以達到仿人機械手臂的作動，為了建立運動學模型以確認工作空間，本案使用D-H座標變換法(Denavit-Hartenberg parameters)建立設計之機械手臂的正逆向運動模型，確認運動空間的動作範圍並驗證其末端軌跡的可行性，以確保模型解能符合手臂的作動範圍。於數學模型方面，使用三元素模型描述各個致動關節能簡化建模時產生的系統複雜度，並引入分數階微積分的特性，這個方法有助於更好地描述系統的動態特性。為了解決PMA驅動之七自由度仿人機械手臂在控制能量消耗、模型的不確定性及外部干擾的問題，設計控制器部分，本案對自適應擴張觀測器(Adaptive Extended State Observer, AESO)進行改良，導入具有流體特性之分數階微積分，提出分數階自適應擴張狀態觀測器(Fractional Order Adaptive Extended State Observer, FoAESO)並結合分數階滑模控制(Fractional Order Sliding Mode Control, FoSMC)，實現系統對總干擾的估測與補償，提升整體控制的穩定性，並以分數階Lyapunov理論證明所設計之控制器的穩定性。仿人機械手臂在FoAESO-FoSMC的控制策略下，相較於整數階擴張觀測器之滑模控制，除了對模型不確定性與外部干擾外同樣具有抗干擾能力和強健性外，其軌跡追蹤精度可提升約4% ~ 40%且控制能量的消耗可降低約0.3% ~ 8.1%。
校內編號
113PC0026
專利國家
中華民國
專利類型
發明
專利證號
I920906
成果來源
國科會