助力外骨骼柔顺控制方法研究

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传统助力外骨骼由于缺乏柔顺性导致外骨骼跟随人体协调运动的能力较差。本论文对助力外骨骼柔顺控制方法进行了综述,创新地建立了一种下肢助力外骨骼的模型,并在此基础上提出了一种适用于助力外骨骼全阶段运动的柔顺控制方法,并将该算法应用于助力外骨骼负重行走的控制中。主要创新工作如下:搭建了一种下肢助力外骨骼模型,并推导得出综合了外骨骼自身以及外骨骼与人体之间接触力的动力学方程。传统的外骨骼模型结构非常复杂,并且对人机力在外骨骼运动上产生的影响考虑不足。因此本文分析正常人自然行走、起立蹲下、上下楼梯和上下斜坡四种情况下身体姿态变化过程,建立起各运动过程的简化模型,并结合实际系统上人体穿戴的方式建立了多点接触的人机弹簧阻尼模型。在上述下肢助力外骨骼模型的基础上,本文提出了一种助力外骨骼全阶段柔顺控制算法。该控制方法的核心思想就是只对膝关节进行主动驱动,该驱动力矩由通过模型估计的重力补偿力矩加上通过脚底压力估计的惯量补偿力矩组成。该算法的先进性在于不需要像传统助力外骨骼对不同步相分开进行控制,同时解决了目前助力外骨骼普遍基于动力学模型而引起的严重依赖于模型精确程度的问题。本文所设计的外骨骼全阶段柔顺控制算法可以应用于负重助力外骨骼,提升用户的负重行走能力。
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