【摘 要】
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近些年随着人口老龄化以及交通等事故问题的日益加重,下肢运动功能障碍者正在逐年增加,这使得辅助人体运动及康复训练等装备的需求也逐年增大。本文提出一种可以帮助下肢运动功能障碍者的可穿戴装备——下肢助残助力康复外骨骼机器人,并针对这一装备开展其控制系统的研究,包括控制系统的硬件设计、软件设计,相关控制算法的研究。首先,总结分析目前国内外下肢外骨骼机器人的研究状况。依据人体生理结构和运动机理,进行外骨骼机
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近些年随着人口老龄化以及交通等事故问题的日益加重,下肢运动功能障碍者正在逐年增加,这使得辅助人体运动及康复训练等装备的需求也逐年增大。本文提出一种可以帮助下肢运动功能障碍者的可穿戴装备——下肢助残助力康复外骨骼机器人,并针对这一装备开展其控制系统的研究,包括控制系统的硬件设计、软件设计,相关控制算法的研究。首先,总结分析目前国内外下肢外骨骼机器人的研究状况。依据人体生理结构和运动机理,进行外骨骼机器人的结构设计,并做运动学分析,利用matlab-robotics工具箱模拟运动参数以及末端轨迹云图,验证运动学分析的正确性和关节运动范围的合理性;通过分析外骨骼机器人的运动特性,选择多传感器的感知方式,并给出预编程控制与力反馈控制组合的方案。其次,建立外骨骼机器人的控制系统,选择控制器,进行系统电路设计,传感器选型设计,驱动装置选型设计,确定通信方式;同时也进行控制系统的软件设计,采用模块化思想,将传感器数据采集、ADC采样及电机驱动等分模块设计并整合。然后,研究机器人的多传感器信息融合技术,利用卡尔曼滤波算法来排除传感器之间数据信息冗余以及干扰,进而得到准确的数据,并预测分析人体的步态状态;根据外骨骼机器人的控制需求,研究合适的运动控制算法——模糊自适应PID控制算法,以提高系统智能程度,并结合位置(角度)控制进行仿真,根据结果验证了满足控制要求。最后,对外骨骼机器人控制系统的传感器放大电路、PWM输出电路以及通信等硬件电路进行测试,验证了其设计合理性和有效性;通过人体穿戴外骨骼机器人的行走实验,获取步态数据,进一步验证了机器人结构设计的合理性;通过信号接发、轨迹跟踪及工作模式等实验,验证了外骨骼机器人满足控制要求。
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