基于氣動控制的機械手電路仿真與設計目錄TOC\o"1-3"\h\u137551.緒論 第一章緒論1.1研究背景當今世界上大多數機器人的設計和制造都是為了提高技術人員或工人的生產效率，取代人類來完成無聊和重復的任務或無法完成的任務。因此，廣泛的應用和巨大的研究價值吸引了越來越多的研究者開始對機器人進行研究。一般來說，由剛性材料制成的機械系統具有精確的運動和可預測的位置和姿態，可以很容易地建模為在離散關節處連接的多剛性結構。這種離散的機器人自由度有限，因此在工作空間有限的情況下，它們的適應性很弱。然而，在自然界中，有些生物的身體或身體結構的一部分會變形。它們有骨骼堅硬的生物所沒有的優勢。例如，章魚的觸須、象鼻和其他沒有骨骼支撐的生物組織可以成功地完成任務，例如在非結構化環境中順從地操縱和定位物體。它們也能安全地與人互動，并受到這些生物的啟發。研究人員已經開始探索由柔性材料組成的柔性或連續機器人的設計和控制。然而，在軟機器人的定義中有兩種設計方法:連續機器人和具有主動/被動柔順關節的傳統機器人。連續機器人是一種仿生機器人，由柔性材料組成，不包含任何離散的關節，理論上具有無限的自由度。它是在超冗余自由度機器人的基礎上發展起來的。與超冗余度機器人的多關節驅動方式相比，連續機器人采用分段驅動方式，通過彈性來完成其動作，使其結構更加簡單，易于制造。它不僅可以像超級冗余機器人一樣在工作空間有限的環境中使用末端執行器抓取小物體，還可以在不受限制的環境中使用纏繞動作(全臂抓取)抓取大的或不規則的物體。因此，涉及仿生學、材料科學、機器人學和能源科學的連續機器人成為近年來機器人學的研究熱點。針對不同的應用，世界各國學者從不同的角度開發了連續機械臂，如仿生原理結構、動態驅動方式和外變剛度方式。目前，連續機械臂樣機已經開發用于工業生產操作、災后支持、醫療診斷和工廠檢驗等場合。其中，與線驅動、形狀記憶金屬、流體驅動彈性等驅動方式相比，氣動方式可以完成曲率變化較大的動作。以氣動柔性驅動器作為氣動驅動執行機構的氣動連續機械臂具有極高的功率密度比，特別是氣動人工肌肉可以具有超過其自身重量400倍的驅動力，并且在正常氣壓下FPA的支撐能力足以取代剛性支撐結構。此外，源自章魚觸手肌肉靜液壓骨架的設計理念，使氣動連續機械手能夠承受大的應變，具有分布式連續變形能力，并靈活完成各種彎曲和拉伸動作。基于FPA的氣動連續機械手對外界壓力的抵抗力小，可以兼容障礙物，還可以與人進行安全的人機交互。因此，在地面上，基于FPA的氣動連續機械手可以應用于行走機器人、醫療康復機器人、工業機械手等需要大輸出扭矩的場合。在空間環境中，視覺精度問題和機械手的柔性關節會導致末端工具點定位的偏差問題。因此，空間機械臂可以在大的容差范圍內實現捕獲任務，這意味著即使空間機械臂的目標負載和抓取器之間存在姿態誤差，機械臂也可以完成目標的捕獲任務。在捕獲過程中，柔性捕獲可以有效降低捕獲結束時目標載荷對整個機械臂及其在軌服務星的影響，特別是在捕獲飛行中的自由漂浮小質量載荷的過程中，空間機械臂與目標星之間的碰撞會導致載荷從機械臂的捕獲空間彈出，導致任務失敗。此外，當捕獲到安裝在固定基座上的質量和慣性較大的服務星時，機械臂的抓爪與目標負載之間的碰撞會導致設備損壞，嚴重時會損壞設備；自由飛行基座上的空間機械臂末端執行器與目標星之間的碰撞會改變基座的位置和姿態，從而對地面控制產生一定的影響。因此，需要在一定范圍內保證末端執行器與目標星之間的碰撞力，以減少空間機械臂捕獲目標星過程中的沖擊。然而，這意味著需要設計穩定且精確的復雜的力/位置控制算法，這不僅延長了開發周期，而且針對不同類型和運動形式的目標載荷設計了特定的算法，并最終實現順從捕獲。相比之下，氣動連續機械手自然具有實現柔順捕獲所需的特性，如重量輕、公差捕獲大、負載質量比大等。特別是，該方法不僅局限于末端執行器的捕獲工作模式，還可以采用全臂纏繞模式捕獲，即在捕獲不同形狀和不同運動狀態的目標時，工作空間大，捕獲成功率高；表面柔性材料還可以降低與目標的沖擊力，實現柔順捕獲。氣動連續機械手的特點總結如下:(1)當驅動器為FPA時，氣動連續操縱器具有與肌肉靜液壓骨架相同的定容特性，任何部分都可以產生柔性變形；(2)機械臂的基體材料采用柔性超彈性材料，變形可達300%，不開裂，可實現大公差柔性抓取；重量輕、斷裂強度高、響應快；(3)機械臂內部分布有氣道，不同量的壓縮空氣通過封閉的氣管泵入每個FPA內腔，使超彈性材料產生較大變形，實現機械臂在空間的柔性運動；(4)與傳統的剛性機械臂相比，氣動連續機械臂在系統復雜性和研發成本方面將大大降低。(5)在太空中，與飛行網等一次性捕獲技術相比，機械臂可以通過增加氣壓、降低氣壓來包裹和捕獲目標，機械臂可以釋放目標，因此可以重復使用；(6)在地面上，柔性材料帶來的靈活性使其對非結構化環境有很強的適應性，可以在不同的工作模式下操作不規則的合作目標和非合作目標。1.2研究目的基于上述分析，一個可靠和有效的控制器對于地面救援情況、腸球菌外科手術或空間順從捕獲是必不可少的。它能使系統快速、穩定、準確、高能效地響應。然而，與傳統的剛性機械手不同，氣動連續機械手固有的連續、復雜和高度順從的特性對運動學和動力學建模提出了挑戰。此外，通過非計算機視覺技術的間接方法來測量連續機械手的姿態，不容易獲得連續機械手的真實姿態，因為理論上連續機械手的自由度大于超冗余機械手，傳感器的數量少，并且只能測量非形狀數據，例如關節空間變量。這些數據不能像剛性機械手那樣用指定的三個位移參數和三個旋轉參數來表示運動，從而導致不能獲得許多自由度的信息。此外，環境的影響比剛性機械臂更為顯著。材料特性表現出非線性特征，如柔順性和滯后性，這也限制了系統的控制效果，對控制系統的魯棒性和準確性提出了更高的要求。1.3研究內容本文針對連續機械手的形狀控制和柔順捕獲任務，完成了氣動連續機械手的結構布局和硬件實驗平臺設計。此外，對單個空氣通道、運動學和動力學進行了建模。為了提高氣動連續機械手的形狀控制效果，設計了一種控制方案。最后，通過實驗驗證了控制器的有效性。第一章是緒論，介紹了本課題的研究背景和意義，以及國內外連續機械手原理樣機的研究現狀。同時，介紹和分析了國內外連續機械手控制策略的研究現狀，包括基于模型的運動控制器、無模型運動控制器、基于模型的動態控制器和無模型動態控制器。最后，闡述了本文的主要研究內容。第二章是氣動連續機械手硬件平臺的設計。為了實現柔順抓取任務，有必要建立一個簡單可靠的氣動連續機械臂原理樣機。考慮章魚臂等連續體生物組織的仿生機理，確定了原理樣機的動作模式、執行機構和結構布局。為了建立可行的氣動系統實驗平臺，分析了氣動系統的工作原理和基本組成。根據計算的風量和流量數據，合理選擇氣動元件。為了完成板形控制功能，建立了控制系統實驗平臺，分析了控制系統的原理和技術指標，完成了控制系統部件的選擇。最后，搭建了完整的氣動連續機械手實驗平臺，為后續實驗驗證提供硬件支持。第三章研究了氣動連續機械手的控制模型。根據氣動連續機械手理論中無限自由度的特點，對控制系統進行了分析。最后，對全文進行總結和分析。第二章氣驅動機械臂整體結構設計本文的主要研究對象是高壓變電站帶電作業機械臂系統。機械臂由氣動元件驅動，以確保帶電作業的良好絕緣。機械臂硬件平臺是整個系統的基礎。本章對機械臂的常規配置進行了分析和比較，并結合高壓變電站的工作環境條件，制定了機械臂的總體結構設計方案和機械臂的機械結構設計指標。根據設計指標和總體設計方案，通過計算分析，選擇各個關節，設計出整個機械臂結構。根據機械臂的結構特點，設計并校核了相應的傳動方式。最后，針對一些重要的傳動部件，進行了強度仿真校核，完成了機械臂關節和整體結構的設計。2.1機械臂設計指標及方案分析根據實際工作情況，機械臂的末端需要有一定的承載能力。根據任務要求，機械臂末端可以滿足多任務設計要求，包括絕緣串清洗、設備安裝和維護等。因此，機械臂的末端被設計成具有可替換末端的結構，這便于切換任務。根據調查，機械手的總體配置一般根據不同的坐標類型分為直角坐標系、圓柱坐標系和關節式。其中，關節式具有結構緊湊、剛性好、末端抓取能力大、末端執行器運動靈敏、運動范圍大的優點，同時可以減小體積，因此采用關節坐標作為機械臂的設計配置。設計配置如圖2-1所示。圖2-1機械臂設計構型在變電站環境中，根據調查設計的機械臂的最大工作范圍為1.2m..機械臂的總體設計以點焊機械臂為設計原型，設計多關節機械臂以滿足任務要求。氣動機械臂主要用于提升工件、清洗和檢修絕緣串、擰緊和松開設備維護螺絲。它的主要工作表面是前表面和側表面。分析表明，定位需要三個自由度，姿態確定需要兩個自由度就可以滿足任務要求。通常，多自由度機械臂從基座向上分布到關節1的基座旋轉關節、關節2的大臂俯仰關節、關節3的小臂俯仰關節、關節4的手腕旋轉關節和關節5的手腕俯仰關節。因為工作位置都垂直于工作表面，所以可以省略腕部偏航關節。大、小臂的基座旋轉和俯仰作為定位關節，將機械臂末端移動到指定位置，手腕的兩個關節用于姿態確定。參照國內外相關的機械臂設計方案，氣動機械臂的大小臂俯仰關節采用平行四邊形結構。一方面，可以減小相互作用力，提高關節承載能力；另一方面，它可以將氣動驅動器放置在底部，以減小機械臂的整體重心并提高機械臂的整體運動穩定性。2.2氣驅動機械臂關節設計氣動機械臂使用氣動馬達作為驅動源。與氣動肌肉相比，氣動馬達的結構和驅動方式與馬達相似，可以直接輸出扭矩。與氣缸，特別是旋轉氣缸相比，氣動馬達的角度范圍是無限的，可與諧波減速器配合使用，旋轉范圍大。但是，一般的氣動馬達沒有后輸出軸，所以設計了外部氣動制動器的結構，即直接制動負載。雖然這需要很大的制動力矩，但它可以確保電機故障時的安全性。結構示意圖如圖2-3所示。圖2-2關節結構示意圖2.2.1腕部關節設計腕關節設計如圖2-3所示。俯仰關節采用電機-諧波減速器結構，紅框部分為諧波減速器，氣動電機輸出軸的一部分直接與氣動制動器連接，通過氣動制動器實現對關節的制動作用。在圖中，腕端工具是氣動扳手。圖2.3腕部關節設計如圖由于腕部回轉關節選型的氣動馬達體積較大，不適合直接安裝于腕部關節，故通過玻纖桿連接腕部俯仰關節以及腕部回轉關節，其結構如圖2-5所示。圖2.4小臂回轉關節結構2.2.2底座關節設計由于電機諧波減速器的結構和用于確保機械臂整體穩定性的推力軸承，不可能直接設計和安裝制動器。因此，底座旋轉接頭的制動采用氣缸制動。根據計算出的扭矩，選擇合適的帶有彈簧的突出氣缸，并通過氣缸壓力向旋轉軸施加制動摩擦力。當需要操作底座的旋轉接頭時，氣缸通風，制動器松開。圖2.5底座回轉關節結構2.3氣驅動機械臂傳動設計及校核大臂和小臂的俯仰速度低，所需扭矩大。在大、小臂的俯仰關節處，氣動馬達通過平行四邊形機構放置在基座上，因此需要通過其他傳動方式向執行機構輸出動力。機械傳動有多種形式，可分為兩類:一類是摩擦傳動，即通過零件之間的相互摩擦來傳遞動力和運動；一種類型是嚙合傳動，即通過驅動構件和從動構件的嚙合運動或通過中間構件的嚙合來傳遞動力或運動。表2.6傳輸模式的比較。、表2.6傳動方式對比表事實上，摩擦傳動可以保證一定的緩沖和保護功能，但由于傳動比不準確，很難保證機械臂關節的運動精度，所以選擇嚙合傳動。齒輪傳動相對精確，但傳動距離有限，這使得很難保證動力傳遞到上運動關節。同步帶通常由硬質膠木、尼龍、塑料和其他非金屬材料制成，在低速和高扭矩下容易斷裂。因此，動力傳輸選擇鏈傳動方式。一般來說，有兩種鏈條:滾子鏈和齒形鏈。滾子鏈由一系列短圓柱滾子連接，并由一個稱為鏈輪的齒輪驅動。它是一種簡單、可靠、高效的動力傳輸裝置。齒形鏈由一系列齒形鏈板和導板組成，它們通過銷軸或組合鉸鏈元件交替裝配和連接，相鄰節距之間有鉸鏈接頭。滾子鏈簡單高效，因此被用作機械臂關節傳動。由于機械臂需要傳遞較大的扭矩，因此有必要采用雙排鏈條來減小鏈輪的尺寸。另外，為了保證機械臂的整體安全性和可靠性，有必要對機械臂的關鍵部件進行檢查和仿真。機械臂的關鍵部件主要在傳動部分。材料選擇的合理性影響機械臂的使用壽命和安全性。根據分析，由于大、小臂俯仰所需扭矩大，待分析的傳動部分主要包括兩個俯仰傳動軸和大、小臂俯仰部分傳動軸上的軸鍵。第三章氣動控制系統設計第二章設計了氣動機械手的總體結構。本章利用相關仿真軟件對氣動機械手的控制系統進行設計、構建和測試。本章根據機械手的控制要求，確定相關的控制邏輯順序，并設定相應的控制指標。本課題中，氣動控制系統主要控制氣動驅動機械臂上的相關氣動驅動部件，包括:氣動馬達、氣動制動器等。通過控制系統的選擇，設計了氣動控制系統，并在軟件中實現。然后，通過仿真分析軟件對氣路控制系統進行了分析和建模，驗證了效果。3.1氣動控制整體方案設計3.1.1氣路控制分析根據本項目的設計要求，本項目研究的氣動機械臂主要由人工操作和多攝像機輔助觀察控制。根據上一章對任務目標的分析，機械臂應手動操作，此時關節速度不宜過快。然而，由于氣體的可壓縮性，由氣壓驅動的轉速難以調節，因此需要一定的調速裝置來調節接頭的轉速。為了實現氣動機械臂良好的絕緣能力，設計將控制端(近端)和執行端(遠端)電隔離，即帶電部分集中在近端，氣路部分集中在遠端。氣路控制主要通過控制板聯合控制各種閥體來實現，包括電磁閥和氣控閥。電磁閥主要由電信號控制，并設置在近端。氣動控制閥受氣動信號控制，設置在遠端執行端，形成絕緣回路的氣路隔離。因此，本課題的控制部分設計如下:電磁閥由控制板控制，氣動閥由電磁閥控制，最后機械手由氣動閥控制。同時，考慮到氣路的損失，電磁閥直接控制可以提高一定的實時性，但是當使用較長的管路時，管路中的輸出壓力可能不會驅動機械臂系統工作。因此，電磁閥和空氣控制閥共同控制，由于驅動空氣控制閥閥體移動的驅動壓力較小，電磁閥和空氣控制閥之間可以設計較長的氣路管道，在一定程度上保證了控制端的運行安全。3.1.2硬件實現氣壓驅動系統主要由壓縮空氣產生系統以及壓縮空氣處理系統組成，如圖3.1所示。圖3.1氣壓驅動系統壓縮空氣的產生主要通過空氣壓縮機實現。空氣壓縮機輸入電能對空氣做功，減少壓縮空氣的體積，改變壓縮空氣的壓力，最終輸出滿足要求壓力的壓縮空氣。空氣壓縮機根據其結構可大致分為往復活塞式、旋轉葉片式或旋轉螺桿式。空氣壓縮機的兩個主要參數是壓力值和流量。空氣壓縮機的壓力一般包括低壓、中低壓、高壓和超高壓。由于氣動馬達的工作壓力最多為0.8兆帕，低壓空氣壓縮機能夠滿足設計要求。由于氣動機械臂系統主要是手動操作，五個關節不需要聯動，所需的壓縮空氣流量主要是氣動元件，流量消耗最大。此外，壓縮空氣處理中有許多部件，主要包括過濾器干燥、壓力調節閥、各種控制閥等。基本的壓縮空氣處理部件需要通過氣源三聯體過濾、分離油和水并干燥壓縮空氣，以減少對壓縮空氣處理元件和相應密封件的損壞。氣源三聯體包括空氣過濾器、減壓閥和油霧裝置，過濾器用于凈化壓縮空氣，過濾空氣中的水分，防止水分隨氣體進入裝置；減壓閥主要是降低和穩定氣源的壓力，使氣源處于恒定狀態，從而減少氣源壓力的突然變化對閥門或執行器等硬件的損壞；油霧潤滑器主要潤滑機體的運動部件，從而延長機體的使用壽命。氣路控制閥是實現氣路系統邏輯控制的重要部件。氣道控制閥通過輸入信號(電信號、空氣信號等)控制閥體移動和切換氣道。)來控制空氣通道。根據輸入信號，一般空氣回路控制閥可分為電磁閥和空氣控制閥。電磁閥通過輸入不同的電信號進行切換。氣動控制閥通過輸入壓縮空氣信號來切換閥口。由于閥口數量的不同，具體的控制閥可分為三位五通閥、兩位二通閥等。氣動馬達需要正反轉控制，氣動馬達的轉向由三位五通閥調節。同時，氣動馬達還需要有一定的調速能力，所以采用節流閥或比例閥來控制氣動馬達的調速，電磁閥通過開關電源給氣動馬達供電，通過單片機控制器控制氣動馬達。考慮到需要大量的輸入輸出端口，控制采用STCI2CSA60S2。該微控制器具有36個通用輸入輸出端口、8路10位模數轉換器、雙串口等，滿足控制電磁閥和比例閥的要求。為控制器預留串口與計算機通信，便于后續算法控制和調整。3.2氣路控制系統設計分析氣驅動機械臂主要工作環境在高壓變電站，執行帶電作業任務。控制時序邏輯如圖3.2所示。圖3.2控制時序邏輯當外部載荷過大或氣源無氣時，很容易造成機械臂關節故障。為了防止關節過載造成設備損壞甚至安全事故，單片機控制器在輸入氣動馬達驅動信號控制馬達轉動之前，驅動制動器啟動運行一段時間間隔t；停止時，制動和氣動馬達同時停止。比例閥的輸出值通過單片機的模數轉換模塊轉換成壓力值并輸入到PC機；通過單片機的數據采集模塊，將PC機的調節值輸入比例閥來調節開度。事實上，由于手動控制需要大量的輸入輸出端口，開關信號采集和信號傳輸兩部分由兩塊單片機控制板分割控制，分為開關信號采集板和閥門終端控制信號傳輸板。開關信號采集板負責前面板上開關信號的數據采集，閥島控制信號傳輸板負責接收開關信號采集板的控制信號，通過內部協議分析控制信號，控制閥島的動作順序。控制結構如圖3.3所示。圖3.3控制結構如圖對于機械手關節控制，主要有兩部分:轉向控制和轉速控制。通過對前端硬件的分析，氣動機械手關節的轉向控制是通過控制閥實現的。為了控制五自由度機械臂，所需的閥口需要5組10個孔。同時，考慮了制動器和其他輔助部件的控制，保留了一些閥口。閥終端由多個電磁閥和底座組裝而成，可有效減少安裝體積和輸入氣管的數量。五個三位五通電磁閥用于接收來自單片機控制器的信號，控制五個關節的正反向運動；圖中還有八個二位三通電磁閥，用于控制五個氣動制動器。預留三個電磁閥作為安裝和控制激光開關或彈射器等的膨脹口。圖1示出了帶有過濾裝置的穩壓閥，該穩壓閥用于在壓縮空氣輸入電磁閥之前過濾和調節壓縮空氣的壓力。氣動控制閥是一種控制閥，通過輸入壓縮空氣來控制閥芯的運動，然后切換空氣通道，從而改變壓縮空氣的流動方向。氣動控制閥在結構和原理上類似于電磁閥，但是使用壓縮空氣作為控制信號。氣體控制閥也可分為三位五通閥、兩位二通閥等。因此，三位五通閥也可以用來控制轉向。(1)氣動控制閥安裝在氣動驅動機械臂的操作部分端，氣動控制閥直接從空氣壓縮機輸入，實現關節的控制，使機械臂不帶電。(2)電磁閥島安裝在遙控操作控制箱內。此時，電磁閥島的輸出信號可被控制并輸入到氣動控制閥的信號端，以調節和控制氣動控制閥，從而將電磁閥和氣動控制閥分開。最后，控制距離可以大大增加。圖3.4復合氣路控制回路氣動機械臂單個關節的轉向控制順序如下:(1)啟動空氣壓縮機，向氣源三聯體引入壓縮空氣，對壓縮空氣進行干燥、過濾和潤滑；(2)將干燥的壓縮空氣引入主開關閥；主開關閥2電磁線圈通電，連接左定位通道，壓縮空氣引入空氣通道；(3)氣動控制閥4負責引入壓力能量。此時，電磁閥2的線圈通電，空氣信號導入空氣控制閥4，推動閥體向左移動，壓縮空氣可沿氣路進入空氣馬達的制動空氣控制閥6和空氣控制閥7的能量輸入口；(4)微控制器收到控制命令后，控制時間間隔T的內部定時，然后將控制信號輸入制動電磁閥。制動電磁閥5負責向制動空氣控制閥6輸入壓縮空氣控制信號。制動電磁閥5的線圈通電，壓縮空氣從制動電磁閥J的左通道進入制動空氣控制閥6的信號控制端..此時，當制動空氣控制閥6的空氣信號控制端接收到壓縮空氣信號時，閥芯移動到右側，壓縮空氣通過左側路徑被引入空氣切斷制動器，制動器被釋放。(5)氣動馬達控制電磁閥主要用于控制輸入氣動馬達氣動控制閥的控制信號。單片機收到控制命令后，直接控制氣動馬達控制電磁閥。氣動馬達控制電磁閥J的左線圈的電源。壓縮空氣信號通過電磁閥3的左通道被引導到氣動馬達氣動閥7的左信號端口。此時，氣動馬達氣動閥的閥芯向右移動，氣動閥的右通道接通。壓縮空氣通過空氣馬達空氣控制閥的左通道進入空氣馬達，空氣馬達開始順時針旋轉。(6)類似地，氣動馬達的逆時針旋轉只能通過在步驟(5)中改變氣動馬達的電磁閥3的右線圈的電源來實現。因此，上述步驟可以實現對氣動馬達正反轉的遠程控制，從而驅動氣動驅動機械臂關節實現正反轉。結合上一章氣動機械臂的結構設計，本章主要分析了高壓環境下機械臂的控制邏輯要求。通過對硬件選型的分析，分析了各氣動元件的特點，確定了硬件控制部分的方案。出于安全運行的設計考慮，本章采用了區間控制方法，即在啟動制動器之前啟動氣動馬達，實現氣動機械臂的安全運行。通過控制設計指標，考慮氣路損耗的長度，為了保證機械臂的有效絕緣性能，設計了由電磁閥和氣路控制閥構成的混合控制閥島的控制結構，以保證絕緣和降低損耗的要求。

第四章結語和展望4.1結語本文對高壓變電站帶電作業機器人進行了研究。在對各種帶電作業機器人和氣動機械臂進行調查分析的基礎上，研制了一種由氣動馬達驅動的五自由度氣動機械臂，并對其控制性能進行了研究。本文取得的主要研究成果如下:(1)設計開發了一種氣動馬達驅動的五自由度氣動機械手平臺。分析了帶電作業和各種氣動機械臂的結構特點，提出了機械臂的設計指標和方案。分析了機械臂各關節的力學特性，完成了機械臂氣動關節的開發。(2)開發了氣動機械手氣路控制系統。基于氣動機械臂的結構，根據控制要求和控制任務，對氣路結構進行了分析和設計。氣路原理圖由軟件設計。在原理圖的基礎上，利用軟件對機械臂系統進行整體仿真分析，驗證控制的有效性。最后，建立了氣動機械臂的控制系統。(3)提出了一種基于模型預測的無傳感器氣動關節角度控制算法。由于氣動驅動的非線性和氣體的可壓縮性，很難實現氣動設備的精確控制。針對這一問題，提出了一種基于角度估計模型的控制算法，實現氣動機械手的“閉環”控制。實驗和軟件仿真驗證了模型預測控制方法的有效性。(4)完成了機械手的操作性能分析。建立了氣動機械臂的實驗測試平臺，對整個機械臂進行了模擬任務點操作實驗，驗證了氣動機械臂的操作性能。4.2展望本文設計了一種氣動馬達驅動的帶電作業機械手系統，改進了高壓變電站帶電作業的設計理念。然而，在氣動機械臂系統的實際研究中仍然存在許多不足。以下幾點將在以下研究中探討和改進:(1)根據氣動機械臂的結構特點進行優化:雖然構建的機械臂滿足實際操作任務的要求，但是機械臂關節的輸出扭矩是多余的。這個問題導致機械臂結構過于笨重，不利于實際環境中的實驗測試。因此，有必要簡化相關結構，例如改變鏈條傳遞扭矩的方式、減小機械臂的體積以及提高機械臂的靈活性。(2)設計更加緊湊的控制系統結構:由于氣動機械臂控制的關節數量較多，控制結構相對復雜。這種控制結構不利用實際處理和使用，這限制了系統的靈活性。因此，研究和設計一種將多個氣體管道集成到同一個接口并簡化閥終端結構的控制系統，可以有效地