下肢負(fù)重外骨骼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究.pdf

1、下肢負(fù)重外骨骼，是一種可穿戴式仿人外骨骼機(jī)械動(dòng)力裝置。與傳統(tǒng)機(jī)器人的控制方式不同，下肢負(fù)重外骨骼是一種以機(jī)器為助力載體，人為控制主體，高度人機(jī)耦合的復(fù)雜力隨動(dòng)系統(tǒng)，主要用于增強(qiáng)人的下肢力量，幫助人類完成重載負(fù)荷運(yùn)動(dòng)和下肢殘疾人士輔助行走等活動(dòng)。本文針對(duì)下肢負(fù)重外骨骼中存在的人機(jī)耦合運(yùn)動(dòng)舒適性問題，分析人體下肢運(yùn)動(dòng)規(guī)律，研究人機(jī)交互行為感知方法和人機(jī)電液耦合控制方法，并在樣機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本文首先調(diào)研了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)下肢外骨骼

2、和人體生物運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究動(dòng)態(tài)，并進(jìn)一步分析其中所采用的感知方法和控制方法?；谌梭w運(yùn)動(dòng)學(xué)，對(duì)人體下肢的運(yùn)動(dòng)模式和步態(tài)周期進(jìn)行分析。通過光學(xué)式運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，采集下肢各關(guān)節(jié)在行走和起蹲過程中的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，基于人體行為與步態(tài)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，識(shí)別人體典型動(dòng)作模式及其步態(tài)相位，通過機(jī)器自學(xué)習(xí)方法，并結(jié)合實(shí)際的工程應(yīng)用，給出模式切換以及步態(tài)相位預(yù)判方法，解決樣機(jī)跟隨人運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)液壓動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，分析了外骨骼在不同的

3、運(yùn)動(dòng)模式下所需要的油源壓力和泵輸出流量，并根據(jù)電機(jī)所處的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)其轉(zhuǎn)速和扭矩進(jìn)行控制。針對(duì)實(shí)驗(yàn)所用樣機(jī)的單作用液壓缸，分別研究了位置、速度和力三個(gè)方面的控制方法，具體分析了各個(gè)控制方法下的期望曲線的設(shè)計(jì)、控制指令的設(shè)計(jì)和控制回路的設(shè)計(jì)，保證回路的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力。最后，對(duì)人機(jī)重載攜行條件下的步態(tài)識(shí)別方法和位置伺服控制方法進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)論證，對(duì)行走5個(gè)子相進(jìn)行了有效識(shí)別，并對(duì)負(fù)載60kg行走和空載站立、行走、下蹲、起蹲幾種模式的