外骨骼助力機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與控制策略研究.pdf

1、外骨骼機器人是一種能輔助人體運動、提高人體運動能力的穿戴設(shè)備，其巨大的應用價值近年來得到了國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。目前國外已經(jīng)研制出幾款能夠?qū)嶋H應用的外骨骼機器人，而國內(nèi)尚處于實驗室階段，在理論研究和工程應用等方面都存在許多問題亟待解決。本課題的最終目的是設(shè)計一款穿戴舒適、方便易用的外骨骼助力機器人，圍繞這個目標本文從控制系統(tǒng)和控制策略兩個方面開展具體研究內(nèi)容。
　　穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)平臺是深入開展理論研究的基礎(chǔ)，也是機器人能夠?qū)嶋H應用

2、的關(guān)鍵。本文針對外骨骼的特殊需求開發(fā)了一套高度集成的控制系統(tǒng)，主要包括基于DSP+ARM的控制器、模塊化的傳感器單元和基于CANopen的總線通信協(xié)議：所設(shè)計的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)外骨骼控制中的所有基本功能，可以不依賴上位機進行獨立工作；傳感器模塊單元采用總線接口，體積緊湊，方便嵌入到機械結(jié)構(gòu)內(nèi)部；所開發(fā)的CANopen協(xié)議符合國際標準，便于網(wǎng)絡(luò)擴展和設(shè)備互換。
　　針對外骨骼系統(tǒng)由人參與完成軌跡規(guī)劃的特點，設(shè)計了基于人體末端運動識別的

3、分解運動速度控制策略，重點研究了末端期望軌跡的獲取和速度分解模型。為解決力反饋的滯后性問題，本文使用Kalman觀測器估計人體運動速度，綜合力反饋信號和人體速度估計值得到外骨骼末端期望速度。針對支撐相兩個主動關(guān)節(jié)控制末端三個自由度的欠驅(qū)動問題，提出了變擺長倒立擺模型，模型將軀干平面運動轉(zhuǎn)化為踝關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)長度的變化以及軀干的俯仰，通過該模型可以將支撐相末端期望速度合理的分配到驅(qū)動關(guān)節(jié)。
　　對外骨骼控制系統(tǒng)進行集成，將其全部嵌入到