多步态欠驱动下肢液压助力外骨骼自适应鲁棒力控制研究

来源 :合肥工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiemei2007126
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下肢液压助力外骨骼是一种人机一体化系统,可用于增强穿戴者的负重能力和行走耐力,广泛应用于抢险救灾、国防军工等领域。近年来,国内外的专家学者提出了欠驱动下肢液压助力外骨骼系统,以满足轻量化、低能耗和长续航的市场需求。然而,被动关节引起的控制输入的缺少、液压系统的强耦合高阶非线性及模型不确定性、行走过程中的多步态切换均给欠驱动下肢液压外骨骼的鲁棒交互力控制器设计带来了巨大困难。本文针对踝关节被动的欠驱动下肢液压助力外骨骼系统,设计了适用于整个行走过程的自适应鲁棒力控制策略。主要研究内容为:(1)以漂浮的下肢外骨骼为建模对象,基于拉格朗日方程以及不同步态下外骨骼脚部与地面之间的完整约束条件,得到了适用于整个行走过程的多步态下肢助力外骨骼动力学模型,为后续的自适应鲁棒力控制器设计提供了模型基础。(2)以欠驱动支撑腿外骨骼为切入点,提出了一种欠驱动多关节液压助力外骨骼自适应鲁棒力控制策略。具体来说,考虑穿戴者的控制作用,假设外骨骼背板的旋转角度为某一理想轨迹。基于穿戴者提供的上述完整约束,将关节空间内的欠驱动支撑腿外骨骼系统转换为笛卡尔空间内的全驱外骨骼系统。基于转换后的全驱动动力学模型,设计了一种三层自适应鲁棒力控制算法,对比仿真验证了所提出的自适应鲁棒力控制算法可以减小主要的人机作用力分力,并对负载变化和建模误差具有强鲁棒控制性能。(3)以欠驱动下肢外骨骼为研究对象,提出了一种多步态欠驱动下肢助力外骨骼自适应鲁棒力控制策略。针对左腿支撑和双腿支撑两种步态分别设计了对应的力控制算法。其中,左腿支撑态力控制器是对欠驱动支撑腿外骨骼控制算法的延伸扩展。而在双腿支撑步态下,额外设计了力矩分配方法以解决双腿支撑下的过驱动问题。对比仿真验证了所设计的自适应鲁棒力控制策略可以有效地处理步态切换、高阶非线性及模型不确定性负面影响,实现主要人机作用力的高性能鲁棒控制。
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