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基于能量回收的下肢外骨骼控制方法研究

马申宇  
【摘要】:下肢外骨骼是一种可穿戴智能设备,为穿戴者下肢动作提供辅助,增进其运动机能。为了减轻机构重量,提高助力效果,设计带有能量回收装置的下肢外骨骼,收集人体下肢动能,利用电机辅助能量释放,对穿戴者目标关节进行助力。为减小机构动作带来的干扰,进行了下肢外骨骼控制方法研究,并对外骨骼的主要参数对其工作效果的影响进行了研究。主要工作如下:(1)基于人体下肢动力学分析的下肢外骨骼设计建立下肢动力学模型,结合人体步态数据,对行走步态和行走过程中的下肢生物动力学特性进行分析。根据人体下肢的动力学特征,对能量回收机理进行研究,设计能量回收装置工作方案及机械结构。进行基于能量回收的下肢外骨骼结构设计,建立外骨骼系统模型,对外骨骼与穿戴者构成的人机共驱动系统进行研究。(2)基于干扰观测器的下肢外骨骼控制系统设计搭建基于惯性测量单元的传感器系统进行下肢运动数据检测,对于外骨骼与人体构成的非线性强耦合系统,设计滑模控制器进行控制,采用干扰观测器对人机交互过程中的干扰进行估计,对控制过程进行补偿。分析该控制系统稳定性,并进行仿真实验,证明所设计的控制系统可以满足外骨骼驱动需求,对于来自机构本身以及外界的扰动均具有良好的抗干扰能力。(3)下肢外骨骼助力效果研究根据肌肉能量消耗理论,采取下肢肌肉代谢率作为指标,评估下肢外骨骼的助力有效性。对下肢外骨骼的设计参数及他们之间的关系进行的分析,总结了基于能量回收的下肢外骨骼的参数设计方法。进行肌肉代谢消耗仿真,对控制参数对外骨骼助力效果的影响进行分析,为该类外骨骼控制系统的参数设计提供参考。


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