下肢負重外骨骼控制系統(tǒng)的設計與研究.pdf

1、下肢負重外骨骼，是一種可穿戴式仿人外骨骼機械動力裝置。與傳統(tǒng)機器人的控制方式不同，下肢負重外骨骼是一種以機器為助力載體，人為控制主體，高度人機耦合的復雜力隨動系統(tǒng)，主要用于增強人的下肢力量，幫助人類完成重載負荷運動和下肢殘疾人士輔助行走等活動。本文針對下肢負重外骨骼中存在的人機耦合運動舒適性問題，分析人體下肢運動規(guī)律，研究人機交互行為感知方法和人機電液耦合控制方法，并在樣機上進行實驗驗證。
　　本文首先調(diào)研了當前國內(nèi)外對下肢外骨骼

2、和人體生物運動規(guī)律的研究動態(tài)，并進一步分析其中所采用的感知方法和控制方法?；谌梭w運動學，對人體下肢的運動模式和步態(tài)周期進行分析。通過光學式運動捕捉系統(tǒng)，進行人體運動實驗，采集下肢各關節(jié)在行走和起蹲過程中的運動數(shù)據(jù)。根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)，基于人體行為與步態(tài)運動的規(guī)律，識別人體典型動作模式及其步態(tài)相位，通過機器自學習方法，并結(jié)合實際的工程應用，給出模式切換以及步態(tài)相位預判方法，解決樣機跟隨人運動的實時性。根據(jù)液壓動力實驗，分析了外骨骼在不同的

3、運動模式下所需要的油源壓力和泵輸出流量，并根據(jù)電機所處的不同運動狀態(tài)對其轉(zhuǎn)速和扭矩進行控制。針對實驗所用樣機的單作用液壓缸，分別研究了位置、速度和力三個方面的控制方法，具體分析了各個控制方法下的期望曲線的設計、控制指令的設計和控制回路的設計，保證回路的穩(wěn)定性和快速響應能力。最后，對人機重載攜行條件下的步態(tài)識別方法和位置伺服控制方法進行仿真與實驗論證，對行走5個子相進行了有效識別，并對負載60kg行走和空載站立、行走、下蹲、起蹲幾種模式的