液壓驅(qū)動下肢外骨骼控制技術(shù)研究.pdf

1、外骨骼是一種并聯(lián)于人體外側(cè)，用于助力、助行或者輔助康復(fù)治療的裝置。作為助力應(yīng)用，外骨骼可以增強(qiáng)穿戴者的肢體能力或者直接承擔(dān)外負(fù)荷，從而可以有效的降低人體能量消耗，可作為一種遠(yuǎn)距離負(fù)重行走的助力器械應(yīng)用于軍事;其助行或者輔助康復(fù)治療功能可以幫助肢體功能不健全的人進(jìn)行正常行走，或者完成搬運物品的動作。未來外骨骼可以應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、災(zāi)后救援甚至日常生活中。在外骨骼領(lǐng)域，國內(nèi)外的科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)取得了一些研究成果。然而在外骨骼輕量化設(shè)計、驅(qū)動技術(shù)

2、、傳感以及協(xié)調(diào)控制等方面還需要進(jìn)行深入的研究。本論文在教育部關(guān)鍵技術(shù)支撐項目以及江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃的資助下，開展了下肢外骨骼、液壓驅(qū)動系統(tǒng)以及控制技術(shù)方面的研究。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴開展下肢助力外骨骼的研究就有必要對人體行走步態(tài)進(jìn)行深入的研究。為此，本文研究搭建了主要由圖像采集系統(tǒng)、足底測力系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)組成的人體行走步態(tài)分析實驗平臺。該實驗平臺可以分析出人體完整步態(tài)周期的運動學(xué)數(shù)據(jù)以及動力學(xué)數(shù)據(jù)。⑵設(shè)

3、計了相應(yīng)的下肢外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)并開展了液壓驅(qū)動系統(tǒng)的研究。在分析了下肢助力外骨骼系統(tǒng)對液壓驅(qū)動的要求，對液壓驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計，包括液壓執(zhí)行器與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計，并完成液壓執(zhí)行器的機(jī)械設(shè)計與校核，利用ANSYS進(jìn)行了強(qiáng)度校核與優(yōu)化。針對設(shè)計的液壓閥控系統(tǒng)，分別建立了閥控液壓系統(tǒng)的線性化模型與微分方程形式的狀態(tài)空間模型。利用AMESim軟件進(jìn)行了仿真與設(shè)計驗證。⑶針對傳統(tǒng)PID控制算法在不確定干擾環(huán)境下控制性能變差的情況，提出了電液伺

4、服系統(tǒng)自適應(yīng)滑模位置控制算法?；陂y控液壓系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型，設(shè)計了自適應(yīng)滑模控制律，在理論上證明了算法在Lyapunov意義下的全局漸近穩(wěn)定。運用非線性積分鏈?zhǔn)轿⒎制鞣椒ǖ玫搅讼到y(tǒng)速度與加速度值用以反饋控制。在實驗室搭建了電液伺服平臺以及MATLAB RTW/xPC半實物實時控制平臺。實驗中通過對不同頻率的正弦參考信號進(jìn)行位置跟蹤，分別得到了無外界干擾以及存在干擾狀況下的跟蹤曲線，對比傳統(tǒng)的PID控制驗證了該算法的有效性以及魯棒性。⑷

5、電液伺服系統(tǒng)的力控制更容易受到不確定的干擾，進(jìn)行精確的控制比較困難，因此本文提出了帶有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)幕？刂扑惴?。設(shè)計了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償滑?？刂坡?，并在理論上證明了算法的全局漸近穩(wěn)定。設(shè)計了觀測器得到相對準(zhǔn)確的輸出力與力的微分。通過MATLAB RTW/xPC實時控制平臺，在實驗中通過對參考信號進(jìn)行力跟蹤實驗，對比傳統(tǒng)的PID控制，該控制算法應(yīng)用在電液伺服系統(tǒng)的力控制中可以取得良好的控制效果。⑸針對行走步態(tài)中的單足支撐與雙足支撐兩種狀態(tài)建立