下肢外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著社會(huì)老齡化以及各種安全事故，日常行動(dòng)不便的老年人和下肢運(yùn)動(dòng)障礙的患者越來(lái)越多。醫(yī)學(xué)理論和臨床經(jīng)驗(yàn)證明，這部分人需要進(jìn)行肢體康復(fù)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練來(lái)防止肌肉萎縮和促進(jìn)肌肉性能恢復(fù)。由于運(yùn)動(dòng)功能障礙，患者需要護(hù)士或其他人員的幫助下完成肢體康復(fù)訓(xùn)練，浪費(fèi)人力和資源。另外士兵、災(zāi)難救援人員和消防人員等，需要在危險(xiǎn)環(huán)境下完成難度很大的體力工作。為了緩解這些問(wèn)題，近年來(lái)研制出了康復(fù)訓(xùn)練和增力機(jī)器人，輔助完成殘障人士的康復(fù)訓(xùn)練以及特殊行業(yè)的各種高難度、高危

2、險(xiǎn)任務(wù)。外骨骼助力機(jī)器人不僅可以幫助病人或老年人完成各種科學(xué)的康復(fù)訓(xùn)練，還可以幫助體力工作人員把重物攜帶到目的地，減輕重物對(duì)人體施加的壓力、節(jié)省體能和時(shí)間，避免受傷。雖然目前已有的外骨骼機(jī)器人性能可以滿足要求，但是在整體設(shè)計(jì)思路、成本、加工和研發(fā)周期便攜性等方面仍存在諸多的不足，嚴(yán)重制約了外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用。因此本文結(jié)合現(xiàn)有的外骨骼技術(shù)，從其存在的問(wèn)題出發(fā)，設(shè)計(jì)了新型人體下肢外骨骼機(jī)器人，以其獲得更廣泛應(yīng)用。
　　本文首先設(shè)計(jì)了下

3、肢外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)。分析了國(guó)內(nèi)外已有的外骨骼機(jī)器人，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)人運(yùn)動(dòng)時(shí)的步態(tài)信息和步態(tài)特性，設(shè)計(jì)了符合人體機(jī)構(gòu)的下肢外骨骼機(jī)械機(jī)構(gòu)。結(jié)合下肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性設(shè)計(jì)了合適的控制方案。
　　其次，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了下肢外骨骼機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件部分。選擇了合適檢測(cè)人運(yùn)動(dòng)步態(tài)信息的傳感器，包括采集足底壓力和接觸力傳感器、各關(guān)節(jié)角度的角位移傳感器、運(yùn)動(dòng)機(jī)械臂末端速度的加速度計(jì)及姿態(tài)傳感器等，設(shè)計(jì)了信號(hào)的采集和處理系統(tǒng);選取運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)元

4、件及驅(qū)動(dòng)器。結(jié)合外骨骼的控制特性，選擇和設(shè)計(jì)了完整的控制方法。
　　第三，為了使下肢外骨骼機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)用更廣泛，本文設(shè)計(jì)的下肢外骨骼系統(tǒng)融合了康復(fù)和增力兩種工作模式。同時(shí)設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，用于工作模式的切換、采集信息及顯示行走時(shí)傳感器數(shù)據(jù)變化情況，以便觀察整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保存變化時(shí)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行具體的分析和處理。
　　此外，對(duì)步態(tài)預(yù)測(cè)方法和控制方法進(jìn)行研究并實(shí)現(xiàn)。通過(guò)信息融合技術(shù)對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人多傳感器信息進(jìn)行融合