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混联下肢外骨骼的步态规划与控制研究

潘大雷  
【摘要】:下肢增力型混联外骨骼是一种穿戴在人体下肢上,配合人体下肢各关节自由度和运动空间,能够在复杂路面行走,极大地帮助普通人提高力量和耐力的机电一体化机器人,主要用于医疗抢险,地震救灾,军事士兵携带武器和工人搬运重物等需要人力不得不携带很重物品的场合。下肢增力型外骨骼机器人的自身特点和应用背景对各方面研究都提出了基础理论和技术上的挑战,包括如何满足人体基本运动空间又不会伤害人体安全的仿生机构构型设计,在外骨骼工作空间内影响到穿戴者本体穿戴舒适度和安全度的动作跟随灵敏度,如何确定在各种仿人步态下各主动关节的驱动力矩和功率,面对复杂的外界输入具有高度非线性系统的下肢外骨骼控制算法难题等。本文首先提出了一个下肢增力型混联外骨骼机构构型,接着提出了外骨骼动作跟随灵敏度概念以及多种动作跟随灵敏度指标,并且建立了该下肢外骨骼动力学模型进行步态动力分析,最后提出了一种新型的外骨骼多种步态智能控制算法,具体内容如下:(1)提出了一种单腿六自由度下肢增力型混联外骨骼机构。利用仿真分析了人体下肢步态运动特征,建立了人体下肢机构位姿模型,并提出了一个十二自由度下肢增力型混联外骨骼机构构型,分析了下肢增力型外骨骼人机系统工作模式与力流传递特征;分析了下肢增力型外骨骼仿人步态时的稳定性特征。(2)提出了下肢增力型混联外骨骼机构末端动作跟随灵敏度指标。根据这些指标,建立了我们设计的下肢外骨骼机构末端动作跟随灵敏度模型,全面计算和比较了末端各方向动作跟随灵敏度,并且做实验加以验证我们的理论模型;根据影响因素对其进行了灵敏度分析,得到了外骨骼机构末端动作跟随灵敏度抗干扰能力大小,给出了提高动作跟随灵敏度的方法与建议。(3)揭示了步行速度,负载重量和地形坡度对下肢增力型混联外骨骼机构各驱动关节动力峰值的影响规律。建立了人体下肢位姿与下肢增力型混联外骨骼位姿映射,推导了多种仿人步态的逆动力学模型,计算了在这些步态周期中各驱动关节的力矩和功率,并揭示了各步态参数,如步行速度,负载重量和地形坡度对驱动动力峰值的影响规律,作为驱动系统的设计和控制规律的参考依据。(4)设计了一个新型开关型模糊自适应PID控制器,并根据此控制器进行外骨骼机器人多种步态和动作的联合仿真。该控制器能够适应外骨骼控制模型本身的高度非线性和不精确的动力学模型,并且能够根据外界复杂输入条件自行判断选择当前控制算法,当选择模糊算法时能够进行模糊参数和模糊规则整定。利用该控制器对外骨骼人机系统的平地行走,上楼梯,下楼梯,蹲起和侧踢等步态进行了联合仿真,仿真结果验证了该算法的有效性和可行性;最后分析了该控制器的稳定性与最优控制。


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