随着工业4.0智能制造的发展,在机械、运输、汽车制造等行业中,越来越多地需要依靠智能辅助助力设备来完成或者辅助人工完成大负载的搬运或分拣等操作。在众多助力技术中,气动助力平衡方法以其低成本、高效率、大功率重量比、无污染、无爆炸等一系列优点,在机械、化工、纺织、食品、交通等领域得到了越来越广泛的应用。目前应用最广泛的气动助力设备中采用的是气缸常值重力补偿,由于在运动过程中,负载力矩也会随之变化,所以常规的常值重力补偿都会存在跟踪误差,很难应用到高精度位置控制场合。因此,针对高负载、高精度的气动助力实验系统的研制具有重要意义。根据项目要求明确气动助力设备的参数要求,完成气动助力实验系统的整体模型的确立,大体确定该助力实验系统的机械结构。通过设计的结构,初步完成驱动装置和重力补偿装置的选型工作以及对实验装置的结构和电气等方面设计。根据助力实验设备的构成及工作原理,建立助力实验设备的关节连杆坐标系,对助力实验设备进行运动学和动力学分析,确定设备末端位置与三个关节转动角度的空间关系和运动学及动力学方程。根据气动助力设备现场工作环境,规划三条运动轨迹。通过理论数学模型和ADAMS软件对规划的避障路径进行运动学和动力学仿真分析,进一步对整个助力设备结构和选型的合理性进行验证。分别建立交流伺服电机、气缸和比例压力阀等元件的数学模型,根据运动学和动力学知识,建立随转角变化气动助力补偿控制器模型,并建立ADAMS模型和MATLAB模型联合仿真模型,并对整个系统进行单关节和三个关节联动仿真分析,验证控制策略的可行性。采用随转角变化气动助力补偿控制器对气动助力实验系统进行实验研究。对气动助力实验系统的单关节实验研究,验证控制策略和实验系统的可行性,结果表明单关节系统稳态精度比较高,响应较快,实验系统和控制方法安全可行,分析不同负载、不同转速对单关节系统的影响。对末端轨迹控制进行实验研究,结果表明轨迹跟踪效果好,设计研制的助力实验系统拥有比较满意的效果。