步態(tài)訓(xùn)練器位姿控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會(huì)的飛速發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，今天，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求也越來(lái)越高了。在此背景下，步態(tài)訓(xùn)練器應(yīng)運(yùn)而生，并在醫(yī)療康復(fù)、體育訓(xùn)練、人機(jī)工程以及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮出愈來(lái)愈重要的作用。本文主要針對(duì)步態(tài)訓(xùn)練器的位置和姿態(tài)控制系統(tǒng)展開(kāi)以下幾個(gè)方面的研究：
　　首先，分析步態(tài)訓(xùn)練器的功能要求和性能指標(biāo)，并在此基礎(chǔ)上制定機(jī)構(gòu)總體方案。然后建立基于閉環(huán)矢量法的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型，推導(dǎo)其正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。再利用MatLab軟件解算末端執(zhí)行單元的

2、運(yùn)動(dòng)空間，驗(yàn)證機(jī)構(gòu)方案的可行性。
　　其次，在矢狀面內(nèi)建立基于人體生物力學(xué)理論的下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)剛體模型，據(jù)此推導(dǎo)一足足心相對(duì)于另一足足心的等價(jià)齊次變換矩陣，并在步態(tài)周期研究的基礎(chǔ)上求解人體下肢運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。利用 FAB系統(tǒng)進(jìn)行平地行走以及上、下樓梯模式下的步態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算相應(yīng)模式下的步態(tài)軌跡。將規(guī)劃軌跡載入機(jī)構(gòu)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型求解相關(guān)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)輸入，對(duì)各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。建立基于Simulink的半物

3、理仿真模型，以運(yùn)動(dòng)規(guī)劃所得位移和轉(zhuǎn)角量等為輸入對(duì)步態(tài)訓(xùn)練器進(jìn)行SimMechanics仿真分析，驗(yàn)證所建模型的正確性。
　　此外，采用聯(lián)立約束法建立機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真分析，以此為控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。制定三種控制策略：被動(dòng)式運(yùn)動(dòng)控制策略、軌跡跟蹤控制策略、柔順控制策略，采用PID控制原理設(shè)計(jì)控制器控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制策略。分析電機(jī)控制模型，研究其在空載和帶載狀況下的響應(yīng)特性。
　　最后，調(diào)試樣機(jī)系統(tǒng)檢驗(yàn)