動(dòng)力式下肢外骨骼控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、動(dòng)力式下肢外骨骼是一款可以幫助人行走、負(fù)重、鍛煉下肢肌力的可穿戴設(shè)備。它將人和機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來，通過二者之間的協(xié)同合作，以達(dá)到所期望的運(yùn)動(dòng)要求。當(dāng)今社會(huì)人口老齡化的趨勢(shì)越來越嚴(yán)重，下肢外骨骼有助于老年人以及中風(fēng)偏癱的失能人群鍛煉下肢肌肉力量，恢復(fù)肌肉活性，從而能夠改善生活質(zhì)量，提高生活品質(zhì)。
　　本文通過研究人體下肢運(yùn)動(dòng)機(jī)理并使用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)人體下肢步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

2、對(duì)動(dòng)力式下肢外骨骼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，完成了對(duì)下肢外骨骼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本論文主要完成了以下工作:
　　1.通過比較不同驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式，以伺服電缸作為動(dòng)力元件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
　　2.結(jié)合下肢外骨骼對(duì)驅(qū)動(dòng)元件的控制要求，以及根據(jù)對(duì)動(dòng)力元件的性能參數(shù)要求，綜合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的產(chǎn)品，對(duì)動(dòng)力元件進(jìn)行設(shè)計(jì)和選型。
　　3.完成了傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠準(zhǔn)確測(cè)量人在穿戴設(shè)備行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)信息，也保障了安全。

3、r>　　4.控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用閉環(huán)控制策略，通過不斷的反饋調(diào)節(jié)以達(dá)到控制要求。采用CAN總線的通訊方式，可實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的自由通信，突破了RS485通信只能以主站輪詢方式的限制，使得控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性得到了明顯的提高。
　　5.設(shè)計(jì)了PID控制算法，選擇MATLAB的SIMULINK模塊進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和合理性，將模糊控制和PID控制結(jié)合起來的模糊PID控制算法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。