下肢助力外骨骼机器人控制系统设计与研究

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下肢助力外骨骼机器人是一种结合了仿生技术与机器人技术的装置。它将人的主观能动性与机器的机械性结合起来。使人类获得了机器的力量和速度,有效提升穿戴者身体机能。如今,这类机器人在工业生产和医疗康复中得以广泛的应用。外骨骼机器人的传统控制方法是PID控制,该方法在实际中具有以下问题:首先,加速度是位移的二阶微分,在外骨骼机器人系统质量一定时,力与位移的关系,存在滞后性。其次,系统中存在人在回路(Human-in-the-Loop)的问题,使用者行走方式的不同会影响系统性能。综上两点,外骨骼机器人系统具有滞后性,受到干扰影响大的问题。为了调节过超调与快速性的矛盾,并且减小干扰变化范围造成的影响,本文主要创新如下:设计并改进模糊PID控制方法,提出线性补偿的参数调整方法。该控制器主要是通过变参数控制,在误差大的情况下提高增益系数,增强快速性;在误差小的情况下,减小增益系数,防止过超调。变参数控制对于大范围扰动有很强适应性。本文根据人体结构特征,应用运动学理论,设计外骨骼机器人关节运动范围,保证使用者的安全。从能量的角度出发,应用拉格朗日动力学和运动学,建立外骨骼机器人数学仿真模型。为外骨骼机器人设计PID控制器、模糊PID控制器和滑膜控制器,进行了仿真和实验,结果表明模糊PID控制算法在快速性与过超调调节方面,具有一定优势:模糊PID控制算法中人机交互力绝对均值相比PID算法下降了9.91%,标准差下降了16.52%。本文提出的线性补偿模糊PID控制方法,降低了模糊PID控制器设计难度。应用线性补偿模糊PID控制,改善了外骨骼机器人控制效果,为外骨骼机器人控制提供了一种便捷方案。
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