液压下肢外骨骼驱动原理与控制方法研究

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外骨骼机器人是一种可以穿戴在人体下肢的智能设备,其应用场景广泛,在军事,工业以及医疗领域都有广泛的应用。目前国内对液压外骨骼的设计以及分析,更多的处于理论分析以及利用软件进行仿真的阶段。本课题在制作了样机的基础上,对外骨骼的动力系统进行了轻量化的设计,相较于传统的使用液压站配备伺服阀的方案,本课题对外骨骼的各个关节采用分布式驱动的方案,在满足一定负载能力的情况下,大幅度降低整个动力系统的重量。本文的主要研究内容以及成果如下所示:(1)对外骨骼硬件平台的设计需求进行分析,综合考虑关节的自由度,外骨骼的可调整性,穿戴的便捷性,安全性以及整个结构的强度等多个方面。对外骨的本体进行了结构设计,并制作了样机。(2)对人体的步态进行了分析,运用拉格朗日法对外骨骼进行了动力学分析。利用MATLAB仿真分析得到外骨骼各个关节所需的扭矩值。之后设定了外骨骼系统的仿人参数以及液压动力系统的基本参数,最终对液压驱动系统进行设计与分析。(3)搭建了外骨骼的信息采集系统。该系统主要包含了脚底压力传感器,人体姿态检测模块以及磁编码盘三种传感器。在对各个传感器的工作原理以及通讯方法进行研究的基础上,设计了相应的算法来对采集的数据进行分析与处理,例如LMS自适应滤波算法,卡尔曼滤波算法等。(4)完成了外骨骼的控制系统,包括了数据的通信与处理,动力系统的控制,控制算法三大部分。通过创建局域网的方法来搭建通讯网络,降低数据传输的时延。使用主从控制策略对下肢外骨骼进行控制,采用了加权零阶局域预测算法对人体下一个时刻的运动数据进行预测。并通过仿真实验验证了人体在正常步态以及变速行走的状况下,预测结果的准确性。并对电机的动态响应特征和换向阀的极限换向频率进行了实验分析,验证了控制算法的可靠性与实时性。
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