混聯(lián)下肢外骨骼的步態(tài)規(guī)劃與控制研究.pdf

1、下肢增力型混聯(lián)外骨骼是一種穿戴在人體下肢上，配合人體下肢各關(guān)節(jié)自由度和運(yùn)動(dòng)空間，能夠在復(fù)雜路面行走，極大地幫助普通人提高力量和耐力的機(jī)電一體化機(jī)器人，主要用于醫(yī)療搶險(xiǎn)，地震救災(zāi)，軍事士兵攜帶武器和工人搬運(yùn)重物等需要人力不得不攜帶很重物品的場合。下肢增力型外骨骼機(jī)器人的自身特點(diǎn)和應(yīng)用背景對各方面研究都提出了基礎(chǔ)理論和技術(shù)上的挑戰(zhàn)，包括如何滿足人體基本運(yùn)動(dòng)空間又不會(huì)傷害人體安全的仿生機(jī)構(gòu)構(gòu)型設(shè)計(jì)，在外骨骼工作空間內(nèi)影響到穿戴者本體穿戴舒適度

2、和安全度的動(dòng)作跟隨靈敏度，如何確定在各種仿人步態(tài)下各主動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩和功率，面對復(fù)雜的外界輸入具有高度非線性系統(tǒng)的下肢外骨骼控制算法難題等。本文首先提出了一個(gè)下肢增力型混聯(lián)外骨骼機(jī)構(gòu)構(gòu)型，接著提出了外骨骼動(dòng)作跟隨靈敏度概念以及多種動(dòng)作跟隨靈敏度指標(biāo)，并且建立了該下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行步態(tài)動(dòng)力分析，最后提出了一種新型的外骨骼多種步態(tài)智能控制算法，具體內(nèi)容如下：
　　(1)提出了一種單腿六自由度下肢增力型混聯(lián)外骨骼機(jī)構(gòu)。利用仿真分

3、析了人體下肢步態(tài)運(yùn)動(dòng)特征，建立了人體下肢機(jī)構(gòu)位姿模型，并提出了一個(gè)十二自由度下肢增力型混聯(lián)外骨骼機(jī)構(gòu)構(gòu)型，分析了下肢增力型外骨骼人機(jī)系統(tǒng)工作模式與力流傳遞特征；分析了下肢增力型外骨骼仿人步態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性特征。
　　(2)提出了下肢增力型混聯(lián)外骨骼機(jī)構(gòu)末端動(dòng)作跟隨靈敏度指標(biāo)。根據(jù)這些指標(biāo)，建立了我們設(shè)計(jì)的下肢外骨骼機(jī)構(gòu)末端動(dòng)作跟隨靈敏度模型，全面計(jì)算和比較了末端各方向動(dòng)作跟隨靈敏度，并且做實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證我們的理論模型；根據(jù)影響因素對其進(jìn)

4、行了靈敏度分析，得到了外骨骼機(jī)構(gòu)末端動(dòng)作跟隨靈敏度抗干擾能力大小，給出了提高動(dòng)作跟隨靈敏度的方法與建議。
　　(3)揭示了步行速度，負(fù)載重量和地形坡度對下肢增力型混聯(lián)外骨骼機(jī)構(gòu)各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)動(dòng)力峰值的影響規(guī)律。建立了人體下肢位姿與下肢增力型混聯(lián)外骨骼位姿映射，推導(dǎo)了多種仿人步態(tài)的逆動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了在這些步態(tài)周期中各驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的力矩和功率，并揭示了各步態(tài)參數(shù)，如步行速度，負(fù)載重量和地形坡度對驅(qū)動(dòng)動(dòng)力峰值的影響規(guī)律，作為驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控

5、制規(guī)律的參考依據(jù)。
　　(4)設(shè)計(jì)了一個(gè)新型開關(guān)型模糊自適應(yīng)PID控制器，并根據(jù)此控制器進(jìn)行外骨骼機(jī)器人多種步態(tài)和動(dòng)作的聯(lián)合仿真。該控制器能夠適應(yīng)外骨骼控制模型本身的高度非線性和不精確的動(dòng)力學(xué)模型，并且能夠根據(jù)外界復(fù)雜輸入條件自行判斷選擇當(dāng)前控制算法，當(dāng)選擇模糊算法時(shí)能夠進(jìn)行模糊參數(shù)和模糊規(guī)則整定。利用該控制器對外骨骼人機(jī)系統(tǒng)的平地行走，上樓梯，下樓梯，蹲起和側(cè)踢等步態(tài)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該算法的有效性和可行性；最后分析