下肢外骨骼機器人的建模和控制策略研究.pdf

1、現(xiàn)階段，我國面臨著老齡化加快、殘障人士數(shù)量增多以及單兵作戰(zhàn)能力欠缺等問題。在此情形下，外骨骼機器人應運而生。外骨骼是一種具有仿生性能的設備，是人工智能與機器人的結合體，在康復醫(yī)療，軍事，農(nóng)業(yè)，工業(yè)等領域均有廣泛的應用。為了幫助老年人及殘障人士恢復或者增強行走的能力，本文研究并設計了一種下肢外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)單側包含有五個自由度，主要涉及機械結構設計和控制系統(tǒng)設計，采用理論分析和仿真驗證相結合的方法展開研究。具體內(nèi)容如下:
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2、)下肢外骨骼現(xiàn)狀總結及機械結構設計。分析并總結了國內(nèi)外已有的外骨骼系統(tǒng)，說明了已有系統(tǒng)的優(yōu)缺點，明確了研究內(nèi)容。學習了人體下肢的生理結構以及行走步態(tài)參數(shù)并基于此，完成了下肢外骨骼的自由度配置、機械系統(tǒng)設計、驅(qū)動器選擇等，構造了單側五自由度的下肢外骨骼系統(tǒng)并對相關的參數(shù)進行了設計。
　　(2)下肢外骨骼運動學數(shù)學分析。采用Craig修正版的D-H約定規(guī)則分別建立了下肢外骨骼左/右腿的正運動學模型，并通過MATLAB/Robotics

3、 toolbox對其進行仿真驗證?；谝羊炞C的正運動學模型，采用代數(shù)法建立下肢外骨骼逆運動學模型，通過MATLAB/Simulink進行仿真驗證。同時，利用蒙特卡洛法分析了下肢外骨骼的工作空間，從而進一步驗證了運動學模型。
　　(3)下肢外骨骼動力學數(shù)學分析及虛擬樣機建立。在拉格朗日方程的基礎上，建立了下肢外骨骼的動力學數(shù)學模型。基于數(shù)學模型非線性和高耦合的特點，采用面向?qū)嵨锬Ｐ偷娜S建模方法建立下肢外骨骼虛擬樣機。通過Solid

4、works建立下肢外骨骼三維模型并將其導入MATLAB/SimMechanics中建立虛擬樣機。最后，利用Robotics Toolbox搭建動力學數(shù)學模型并將其與虛擬樣機進行對比仿真，驗證了虛擬樣機的有效性。
　　(4)基于神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)臒o模型時延估計控制器設計。針對下肢外骨骼模型高耦合非線性的特性，借鑒基于代數(shù)方法的無模型控制，采用極局部模型作為系統(tǒng)模型，利用時延估計對未知項進行估計，構造無模型時延估計控制器(TDE-MFC)

5、。針對因時延估計產(chǎn)生的誤差，引入自適應RBF神經(jīng)網(wǎng)絡，構造基于神經(jīng)網(wǎng)絡補償?shù)臒o模型時延估計控制器(TDE-MFNNC)并對其穩(wěn)定性進行了分析證明。
　　(5)基于虛擬樣機的TDE-MFNNC仿真驗證。通過仿真對比選取了時延時間并基于此，對比在理想情況下及存在擾動情況下，PD，NN，TDE-MFC以及TDE-MFNNC控制器性能，驗證了TDE-MFNNC對估計誤差的補償并得到了良好的跟蹤效果。同時，研究了基于TDE-MFNNC的特定