外骨骼助力機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制策略研究.pdf

1、外骨骼機(jī)器人是一種能輔助人體運(yùn)動(dòng)、提高人體運(yùn)動(dòng)能力的穿戴設(shè)備，其巨大的應(yīng)用價(jià)值近年來得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前國外已經(jīng)研制出幾款能夠?qū)嶋H應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人，而國內(nèi)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，在理論研究和工程應(yīng)用等方面都存在許多問題亟待解決。本課題的最終目的是設(shè)計(jì)一款穿戴舒適、方便易用的外骨骼助力機(jī)器人，圍繞這個(gè)目標(biāo)本文從控制系統(tǒng)和控制策略兩個(gè)方面開展具體研究內(nèi)容。
　　穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)平臺(tái)是深入開展理論研究的基礎(chǔ)，也是機(jī)器人能夠?qū)嶋H應(yīng)用

2、的關(guān)鍵。本文針對外骨骼的特殊需求開發(fā)了一套高度集成的控制系統(tǒng)，主要包括基于DSP+ARM的控制器、模塊化的傳感器單元和基于CANopen的總線通信協(xié)議：所設(shè)計(jì)的控制器能夠?qū)崿F(xiàn)外骨骼控制中的所有基本功能，可以不依賴上位機(jī)進(jìn)行獨(dú)立工作；傳感器模塊單元采用總線接口，體積緊湊，方便嵌入到機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部；所開發(fā)的CANopen協(xié)議符合國際標(biāo)準(zhǔn)，便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和設(shè)備互換。
　　針對外骨骼系統(tǒng)由人參與完成軌跡規(guī)劃的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于人體末端運(yùn)動(dòng)識(shí)別的

3、分解運(yùn)動(dòng)速度控制策略，重點(diǎn)研究了末端期望軌跡的獲取和速度分解模型。為解決力反饋的滯后性問題，本文使用Kalman觀測器估計(jì)人體運(yùn)動(dòng)速度，綜合力反饋信號(hào)和人體速度估計(jì)值得到外骨骼末端期望速度。針對支撐相兩個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)控制末端三個(gè)自由度的欠驅(qū)動(dòng)問題，提出了變擺長倒立擺模型，模型將軀干平面運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為踝關(guān)節(jié)到髖關(guān)節(jié)長度的變化以及軀干的俯仰，通過該模型可以將支撐相末端期望速度合理的分配到驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)。
　　對外骨骼控制系統(tǒng)進(jìn)行集成，將其全部嵌入到