康復(fù)運(yùn)載型下肢外骨骼的步態(tài)規(guī)劃與軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、可穿戴式外骨骼將機(jī)器人提供的強(qiáng)大機(jī)械能量與人的智能相結(jié)合，是一種新型機(jī)電一體化裝置，能夠提供身體支撐、運(yùn)動(dòng)輔助、機(jī)能增強(qiáng)等功能。在當(dāng)今人口老齡化趨勢(shì)日益嚴(yán)重、單兵作戰(zhàn)能力亟待提高的形勢(shì)下，外骨骼已經(jīng)成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，并可以應(yīng)用到眾多領(lǐng)域。
　　本文以康復(fù)運(yùn)載型下肢外骨骼系統(tǒng)為對(duì)象開(kāi)展設(shè)計(jì)研究。在人體下肢生理結(jié)構(gòu)與步行分析的基礎(chǔ)上，文中給出了具有10自由度的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)康復(fù)運(yùn)載這一側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行了穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃與軌跡跟蹤控制

2、研究。主要研究工作如下:
　　1)下肢外骨骼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。歸類(lèi)總結(jié)分析現(xiàn)有研究成果，根據(jù)人體步行特性確定系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)所需的自由度數(shù)目及其配置，完成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　2)支撐腿與擺動(dòng)腿運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)模型的建立。由步行分析得出下肢外骨骼的混雜系統(tǒng)特性，從而分別對(duì)支撐腿和擺動(dòng)腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中采用改進(jìn)的D-H方法，包含了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)拉格朗日方程法得出了動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)合切換系統(tǒng)描述

3、的離散事件動(dòng)態(tài)特性，建立完整的外骨骼系統(tǒng)混雜模型。為模擬真實(shí)環(huán)境并簡(jiǎn)化混雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建以及后續(xù)控制器的設(shè)計(jì)，采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS建立了下肢外骨骼系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。
　　3)穩(wěn)定步態(tài)的規(guī)劃。運(yùn)載型這一功能特點(diǎn)表明外骨骼占據(jù)主導(dǎo)地位并帶動(dòng)穿戴者實(shí)現(xiàn)正常步行，使得穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃成為重要研究?jī)?nèi)容。對(duì)系統(tǒng)步行穩(wěn)定的分析采用的是零力矩點(diǎn)(ZMP)理論，即穩(wěn)定步行需保證ZMP始終位于支撐域內(nèi)。根據(jù)人體步行周期的分析，確定了步態(tài)規(guī)劃的關(guān)

4、鍵時(shí)刻約束條件，通過(guò)三次樣條插值獲得參數(shù)化的連續(xù)軌跡。結(jié)合穩(wěn)定裕度計(jì)算，設(shè)計(jì)了遺傳算法優(yōu)化步態(tài)參數(shù)所需的目標(biāo)函數(shù)。獲得的穩(wěn)定連續(xù)步態(tài)經(jīng)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)可得出預(yù)期關(guān)節(jié)軌跡，并通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證其穩(wěn)定性。
　　4)軌跡跟蹤控制的研究。穩(wěn)定步行的最終實(shí)現(xiàn)需要各關(guān)節(jié)自由度對(duì)預(yù)期軌跡進(jìn)行精確跟蹤。基于動(dòng)力學(xué)分析所得系統(tǒng)模型的數(shù)學(xué)描述設(shè)計(jì)了計(jì)算力矩加PD反饋控制器，針對(duì)無(wú)法獲得精確數(shù)學(xué)表達(dá)的虛擬樣機(jī)被控對(duì)象設(shè)計(jì)了無(wú)模型思想的TDE-iPID