外骨骼人机协调控制技术的研究

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进入二十一世纪以来,我国人口老龄化现象日益严重,交通事故、自然灾害所造成的肢体损伤人数也逐渐增加。如何解决老弱伤残人员的正常行走问题已经成为了社会热点。本课题开发设计了一套外骨骼协调控制系统,充分发挥人的动作导向能力和机器人的承载能力,实现了外骨骼的助行目的。系统包括髋关节式下肢助力外骨骼、协调控制策略和软硬件平台。首先,结合项目的设计要求、人体步态周期特性和髋关节的生理学特性,设计了一款下肢髋关节式助力外骨骼。通过对外骨骼机构的建模与动力学分析,探讨了外骨骼的动力学特性。其次,设计了气囊式力传感器用于大腿肌肉力的采集实验,详细分析了肌肉力在步态周期中的变化规律。基于步态周期中髋关节的角速度、角加速度和大腿肌肉力的变化特性,开发了模糊控制算法。针对模糊控制存在的牵扯感缺点,本文研究使用CPG学习算法来学习模糊控制输出。根据两种算法本文提出了基于闽值的协调控制策略。另外,搭建了系统软硬件平台,主要包括编码器、电机驱动器和主控制板。然后基于外骨骼样机、协调控制策略和软硬件平台对外骨骼进行了实验研究,分别进行了阻抗力矩实验、助力方案研究实验和协调控制实验。
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