下肢外骨骼助力機(jī)器人的隨動(dòng)控制研究.pdf

1、下肢可穿戴助力外骨骼機(jī)器人是一種并聯(lián)在人體上的機(jī)電一體化裝置，能夠輔助人體實(shí)現(xiàn)下肢力量的增強(qiáng)并減少血氧消耗?？纱┐魍夤趋罊C(jī)器人主要包括可穿戴在人體各部位的機(jī)械裝置、動(dòng)力裝置以及傳感檢測(cè)裝置三個(gè)部分，它們組成了一個(gè)可提高人體運(yùn)動(dòng)功能與負(fù)荷能力的輔助機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了傳感、控制、人機(jī)交互、移動(dòng)計(jì)算等多學(xué)科領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，其中準(zhǔn)確識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)外骨骼下肢關(guān)節(jié)隨動(dòng)助力是本文研究的重點(diǎn)。
　　本文以下肢外骨骼助力

2、機(jī)器人為載體，以下肢可穿戴助力機(jī)器人隨動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，主要研究?jī)?nèi)容包括下肢運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)據(jù)采集與處理，運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)建模分析，隨動(dòng)控制系統(tǒng)仿真，軟硬件的設(shè)計(jì)與樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。首先對(duì)人體下肢結(jié)構(gòu)、人體步態(tài)周期進(jìn)行了理論分析研究，為后續(xù)肢體模型運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算提供理論依據(jù)。以現(xiàn)有雙關(guān)節(jié)助力外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)與整體控制框架為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)人體下肢信號(hào)采集系統(tǒng)和基于卡爾曼濾波器的運(yùn)動(dòng)意圖預(yù)測(cè)算法，預(yù)測(cè)結(jié)果作為動(dòng)力學(xué)分析及控制系統(tǒng)的輸入量。利用拉格朗日-歐拉方

3、法對(duì)簡(jiǎn)化的人體下肢模型（二連桿機(jī)構(gòu)）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模，并驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的預(yù)測(cè)算法和動(dòng)力學(xué)模型的可行性和準(zhǔn)確性。按照傳統(tǒng)D-H矩陣方法建立坐標(biāo)變換矩陣，推導(dǎo)出助力外骨骼機(jī)器人的下肢正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，從而建立關(guān)節(jié)角度變量與機(jī)器人步態(tài)軌跡數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，為實(shí)現(xiàn)步態(tài)控制提供數(shù)據(jù)支持。運(yùn)用MATLAB中的Simulink和SimMechanics工具箱搭建下肢外骨骼雙閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，驗(yàn)證建立的下肢模型及控制系統(tǒng)的正確性;最后在課題組助力機(jī)器人模塊