下肢外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)及控制算法分析.pdf

1、下肢外骨骼機(jī)器人作為一門(mén)新興的研究領(lǐng)域，涉及到了機(jī)器人學(xué)，仿生學(xué)，人工智能等多門(mén)學(xué)科。下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展借鑒了仿人機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，可以穿戴在人體上，實(shí)現(xiàn)“人機(jī)一體化”，其在醫(yī)學(xué)康復(fù)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域都有較大發(fā)展。下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人將患者從傳統(tǒng)的理療師“一對(duì)一”康復(fù)訓(xùn)練中解脫出來(lái)，改變了人們對(duì)于傳統(tǒng)康復(fù)醫(yī)療的認(rèn)知。在軍用領(lǐng)域，下肢外骨骼系統(tǒng)可以最大限度提高士兵的能力，提升其整體素質(zhì)。本課題承接課題組已有工作，對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的控制

2、平臺(tái)搭建和控制算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
　　本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外下肢外骨骼技術(shù)研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，在借鑒已有技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了自己的系統(tǒng)方案，該方案以TwinCAT為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)控制主站，采用以太網(wǎng)作為控制系統(tǒng)總線，并使用EtherCAT作為通訊協(xié)議，提高了數(shù)據(jù)傳播速度與控制精度，實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
　　為了分析系統(tǒng)的可行性，在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，本文將外骨骼系統(tǒng)簡(jiǎn)化為五連桿進(jìn)行研究，通過(guò)拉格朗日方程構(gòu)建其動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

3、在MATLAB/Simulink中分別用基于重力補(bǔ)償?shù)腜D控制和模糊自適應(yīng)PID控制兩種算法對(duì)其動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，通過(guò)結(jié)果分析可知模糊PID控制具有較好的控制效果。
　　本文完成了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建，將整個(gè)控制系統(tǒng)分為網(wǎng)絡(luò)層、主站層、從站層和執(zhí)行層，通過(guò)雙閉環(huán)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。主站控制器，驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行電機(jī)構(gòu)成內(nèi)環(huán)，通過(guò)電機(jī)編碼器來(lái)反饋電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而完成閉環(huán)控制。本課題利用傳感器和PC機(jī)構(gòu)成外環(huán)。通過(guò)傳感器采集外骨骼實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌