混合动力助力机器人结构设计及控制系统研究

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混合动力系统是一类以两种或两种以上驱动系统进行结合,功率质量比大、效率高、环境友好的新型驱动系统,目前在汽车领域逐步普及,在机器人领域也不断扩大应用。可穿戴助力机器人是一种通过人机交互实现运动控制的机器人,在军事国防、医疗康复、农业运输、工业生产等方面都有着十分重要及广泛的应用需求。而针对搬运任务的助力机器人是其中一个重要的研究方向,其目标在于减轻从事搬运工作的劳动人员肢体在重复动作过程中的肌肉负担,并在一定程度上提高人体的搬运能力。其中涉及的关键技术主要包括与人体搬运过程一致的活动关节、具有卸荷能力的机械结构、使用者肢体运动的意图识别、机器人关节的人机交互运动控制等问题。论文围绕混合动力助力机器人(以下简称“混动助力机器人”),在可穿戴机械结构设计、混合动力系统硬件平台设计、搬运任务人机交互运动控制等关键技术问题,采用理论分析、半实物仿真以及实物实验等方法展开研究,论文的主要以下4个方面开展研究:(1)设计上下肢姿态采集系统,研究人体搬运任务中主要关节的运动情况。研究肢体运动和受力情况,考虑个体差异性、经济性、安全性,设计一种尺寸可调节,与人体搬运动作关节运动一致且能够实现减重功能的机械结构。(2)针对该系统提出了一种混动助力机器人的混合动力驱动控制方案,设计并搭建集上肢气动人工肌肉驱动、下肢无刷直流电机驱动于一体的混合驱动控制系统,实现上肢柔性驱动安全,下肢刚性驱动承载的设计思想。(3)利用自制的基于气压的柔性压力感知系统,采集使用者与混动助力机器人手臂之间的接触力。设计阻抗控制器,辨识刚度阻尼系数,通过仿真研究拾物阶段助力机器人对使用者肘关节助力情况。(4)将下肢行走过程分为摆动相和支撑相单独研究。针对摆动相搭建了半实物仿真平台,对下肢髋、膝关节进行动力学参数辨识,并设计基于动力学模型的位置控制方法;针对支撑相设计基于PD的位置控制方法,完成相关仿真实验。
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