外骨骼機(jī)器人彈性驅(qū)動控制方法及實驗研究.pdf

1、可穿戴的外骨骼機(jī)器人與人體組成了一個聯(lián)系緊密的人機(jī)系統(tǒng)，能夠在人類活動的各個方面得到應(yīng)用，發(fā)展前景十分廣闊。本課題所研究的是一種供地震救援人員使用的助力外骨骼機(jī)器人。
　　在外骨骼機(jī)器人、移動機(jī)器人、機(jī)械臂等研究領(lǐng)域，彈性驅(qū)動器因其具有能量存儲、抗沖擊、安全人機(jī)交互等特點，正在取代傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器成為研究熱點。本課題旨在為助力外骨骼的彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)設(shè)計控制方法，以提升系統(tǒng)的人機(jī)交互相關(guān)的多方面性能。
　　本文首先在建立串聯(lián)彈性

2、驅(qū)動關(guān)節(jié)的通用模型的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了驅(qū)動關(guān)節(jié)的輸出阻抗特性和能耗特性。分析結(jié)果表明，彈性元件的引入能夠系統(tǒng)的輸出阻抗降低，并且可以實現(xiàn)系統(tǒng)部分能量的循環(huán)利用，降低了系統(tǒng)的能耗。
　　在對串聯(lián)彈性關(guān)節(jié)力矩控制的理論分析基礎(chǔ)上，完成了彈性元件的標(biāo)定實驗并測定了系統(tǒng)的力控制帶寬。對于外骨骼關(guān)節(jié)的隨動控制，提出了基于外部接觸力環(huán)、內(nèi)部SEA力環(huán)的雙力閉環(huán)串級控制方法。在分析了特定參數(shù)對對穩(wěn)定性、系統(tǒng)帶寬和輸出阻抗的影響之后，分別采用外部

3、傳感器和內(nèi)部傳感器反饋完成了機(jī)器人關(guān)節(jié)力隨動控制實驗，驗證了控制方法的有效性。
　　基于提出的外骨骼機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)總體框架，完成了包括上位機(jī)模塊、運動及伺服控制模塊、傳感模塊、安全模塊和電源模塊的硬件系統(tǒng)集成；構(gòu)建了包括人機(jī)交互模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、運動控制模塊、安全保護(hù)模塊的外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件體系。
　　研制了用于外骨骼機(jī)器人綜合測試的移動式實驗臺。設(shè)計了用于平衡外骨骼自重的吊掛裝置。完成了單關(guān)節(jié)軌跡跟