液压驱动下肢外骨骼控制技术研究

【摘要】：外骨骼是一种并联于人体外侧,用于助力、助行或者辅助康复治疗的装置。作为助力应用,外骨骼可以增强穿戴者的肢体能力或者直接承担外负荷,从而可以有效的降低人体能量消耗,可作为一种远距离负重行走的助力器械应用于军事;其助行或者辅助康复治疗功能可以帮助肢体功能不健全的人进行正常行走,或者完成搬运物品的动作。未来外骨骼可以应用在军事、医疗、灾后救援甚至日常生活中。在外骨骼领域,国内外的科研机构已经取得了一些研究成果。然而在外骨骼轻量化设计、驱动技术、传感以及协调控制等方面还需要进行深入的研究。本论文在教育部关键技术支撑项目以及江苏省普通高校研究生科研创新计划的资助下,开展了下肢外骨骼、液压驱动系统以及控制技术方面的研究。主要研究工作如下:(1)开展下肢助力外骨骼的研究就有必要对人体行走步态进行深入的研究。为此,本文研究搭建了主要由图像采集系统、足底测力系统以及数据分析系统组成的人体行走步态分析实验平台。该实验平台可以分析出人体完整步态周期的运动学数据以及动力学数据。(2)本文研究的下肢外骨骼主要用于负重助力行走,文中设计了相应的下肢外骨骼机械结构并开展了液压驱动系统的研究。在分析了下肢助力外骨骼系统对液压驱动的要求,对液压驱动系统进行了详细的设计,包括液压执行器与液压控制系统设计,并完成液压执行器的机械设计与校核,利用ANSYS进行了强度校核与优化。针对设计的液压阀控系统,分别建立了阀控液压系统的线性化模型与微分方程形式的状态空间模型。利用AMESim软件进行了仿真与设计验证。(3)针对传统PID控制算法在不确定干扰环境下控制性能变差的情况,本文提出了电液伺服系统自适应滑模位置控制算法。基于阀控液压系统的状态空间模型,设计了自适应滑模控制律,在理论上证明了算法在Lyapunov意义下的全局渐近稳定。运用非线性积分链式微分器方法得到了系统速度与加速度值用以反馈控制。在实验室搭建了电液伺服平台以及MATLAB RTW/xPC半实物实时控制平台。实验中通过对不同频率的正弦参考信号进行位置跟踪,分别得到了无外界干扰以及存在十扰状况下的跟踪曲线,对比传统的PID控制验证了该算法的有效性以及鲁棒性。(4)电液伺服系统的力控制更容易受到不确定的的干扰,进行精确的控制比较困难,因此本文提出了带有神经网络补偿的滑模控制算法。设计了神经网络补偿滑模控制律,并在理论上证明了算法的全局近稳定。设计了观测器得到相对准确的输出力与力的微分。通过MATLAB RTW/xPC实时控制平台,在实验中通过对参考信号进行力跟踪实验,对比传统的PID控制,该控制算法应用在电液伺服系统的力控制中可以取得良好的控制效果。(5)本文针对行走步态中的单足支撑与双足支撑两种状态建立了下肢外骨骼的动力学模型。在分析了国内外典型外骨骼控制方法后,设计了符合本文所研究下肢外骨骼的整体协调控制策略。设计了模糊系统逼近不确定干扰项的滑模控制算法,并应用于下肢外骨骼摆动相的控制。本文最后在穿戴外骨骼状态下进行了整机步态行走实验,从而检验下肢助力外骨骼控制系统的性能。