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下肢爬楼外骨骼机器人的设计与研究

姚锦涛  
【摘要】:下肢外骨骼机器人是一种穿戴于人体并进行辅助运动的智能化装置,该装置能够帮助患者及老年人完成行走、站立等康复动作。在日常的生活中,上下楼梯是不可或缺的一部分,因此,针对老年人及部分下肢患者的上楼运动,本文设计一种下肢爬楼外骨骼机器人,并从运动学与动力学特性、步态周期规划、稳定性评估、运动控制等方面对其进行分析与研究。首先,根据人体各关节的运动范围与形式,设计下肢爬楼外骨骼机器人的整体结构,并分析其执行器的运动情况。为便于分析与数据计算,将外骨骼机器人进行简化,建立对应的D-H模型,利用空间解析几何法与矢量法分别进行正运动学与逆运动学推导,得到关节旋转角与末端位置之间的关系。根据拉格朗日动力学方程,建立相应的外骨骼机器人动力学模型,并推导出下肢各个关节的力矩表达式。其次,根据下肢外骨骼上楼的周期情况,进行步态规划的注意事项假设,设置机器人的杆件信息与楼梯的高宽等参数。基于制定的下肢外骨骼机器人辅助人体爬楼策略,通过分析比较几种轨迹规划方法的优势与缺点,最终选择三次样条插值方法,并根据选取的机器人上楼时起步、中步、止步的特殊关键点进行插值,得到下肢各关节的上楼运动轨迹。再次,针对规划的运动轨迹的稳定性,本文采用ZMP零力矩点对下肢外骨骼机器人进行稳定评估。根据ZMP定义与概念推导符合下肢的稳定公式,规划稳定性所需的机器人单脚支撑和双脚支撑的稳定区域,并确定其稳定裕度。结合运动学和推导出ZMP在线调整公式,对规划的轨迹进行稳定优化,并通过运动学逆解方程转化为下肢各关节的运动角度。最后,对下肢外骨骼机器人的运动控制方法进行研究,提出一种非线性干扰观测器的滑模控制方法。为证明其轨迹跟踪的精确度与稳定性,构造了李雅普诺夫函数进行判定,同时还利用MATLAB软件将此方法应用到下肢外骨骼机器人的仿真中,其结果的表现效果比较好。为进一步验证该方法的适用性,搭建下肢外骨骼机器人的操作平台,通过上传的数据与期望轨迹基本一致,说明其方法轨迹跟踪有效。


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