下肢助力外骨骼控制系统设计与舒适度研究

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外骨骼的主要功能包括增强人体的耐力与爆发力、辅助患者运动、支撑和保护使用者等等,是一种结合了人脑判断能力与机械系统力量的智能机械。外骨骼是近年来工程领域的研究热门,国外研究机构研发了多款应用于军事、医疗康复、消防、工业生产等等不同领域的外骨骼产品。美国、日本、瑞士等国在外骨骼发展领域走在前列,部分产品已经进入市场并得到很好的效果。但是国内的外骨骼研发大部分处于样机试制阶段,距离实际应用还有很长的路要走。外骨骼研发过程还有一些问题需要解决,例如控制不够精确、人机交互不够友好、成本高昂、供能不够持久等等。本文旨在设计一款下肢助力外骨骼用来帮助行动不便的老人或者患者出行,扩大其活动范围。本款外骨骼结构简单且控制精确,穿戴方便,可以有效提高使用者生活质量。本文做的主要工作如下:(1)确定了下肢助力外骨骼的设计思路与设计原则。基于该款外骨骼的定位完成总体布置方案,包括设计机械结构,选择驱动方式与控制方法。(2)基于改进的D-H法构建外骨骼下肢机械腿的运动学模型并求解外骨骼的运动学正解与逆解。通过求解雅可比矩阵进行外骨骼速度分析。进行外骨骼运动仿真,通过不断调试完成步态规划并求得步态参数。(3)对外骨骼进行动力学分析,求得关节驱动力矩与机械腿运动状态之间的关系。使用模糊-PID双模控制作为外骨骼关节的控制算法,并构造控制模型。通过联合仿真,验证在外骨骼控制系统设计中,模糊-PID双模控制较经典PID控制效果更好。(4)对基于人机工程学的舒适度评价,特别是座椅舒适度的体压分布客观评价标准进行研究。提出一种基于人机运动偏差的外骨骼舒适度客观评价指标,并通过系统的动力学仿真分析验证了该评价方法的合理性。
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