下肢助力外骨骼机器人设计与研究

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可穿戴外骨骼机器人是一种助行机械装置,可以通过跟踪人体运动为正常人的运动提供动力辅助,将操作者的意图和机器人的动力联合在一起,从而大幅增强人们负载能力和行走耐力,在军事、医疗康复及救灾等方面具有广泛应用前景。本文主要从本体结构设计与运动控制研究两方面,对下肢助力外骨骼机器人进行初步研究,主要研究内容如下:1.根据可穿戴外骨骼机器人拟人化总体设计准则,以人体下肢解剖学和步态运动理论为依据,对外骨骼机器人进行总体结构设计,包括:自由度配置、主动关节、辅助关节以及腿部调整等设计,保证外骨骼机器人自适应性、实用性和舒适性及运行的安全性等要求。2.建立外骨骼机器人运动学模型,通过齐次坐标变换方法对外骨骼机器人进行运动学求解分析;依据人体正常步行时关节运动角度的CGA数据库,对人体步态运动特征进行分析研究,并计算各关节的力矩和功率,为外骨骼机器人驱动单元设计提供依据;对关节转角变化进行曲线拟合建立数学模型,为后续步态控制研究与运动仿真奠定基础。3.采用拉格朗日方程建立外骨骼机器人的动力学方程,根据助力外骨骼机器人保证准确随动及满足人机交互功能要求,采用位置控制和力控制的控制策略对关节驱动进行研究;并根据外骨骼运动控制的特点,将模糊控制引入PID构成模糊PID控制器。4.在Simulink中实现对控制器的封装建模,仿真验证控制算法的有效性。并与ADAMS建立下肢外骨骼机器人系统联合仿真平台,通过仿真对所建立模型正确性及控制策略的有效性进行验证,并验证外骨骼机器人轨迹跟踪性及系统方案的可行性,达到了预期效果。
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