套索人工肌肉驱动下肢外骨骼控制系统研究

摘要

轻型的、具有良好舒适性的伤后穿戴式康复外骨骼，需要采用新型的传动方式以及轻软的人机结合形态。本课题采用套索人工肌肉传动方式，搭建了穿戴式康复训练控制平台，设计了相应的控制算法，辅助患者进行康复训练。 本文首先介绍了套索人工肌肉驱动下肢外骨骼结构本体，结合套索人工肌肉传动模型，分析了各参数的变化趋势，结合拉格朗日法建立了外骨骼机器人和人机耦合动力学模型，结合库伦粘滞模型，提出了系统摩擦模型，并且通过静态实验和动态试验进行参数辨识。 随后，搭建了套索人工肌肉驱动下肢外骨骼的软硬件平台。根据下肢外骨骼的系统需求，完成了控制系统软硬件设计，实现对各关节的运动控制。 其次，分析了患者在康复训练初期的临床表现及训练要求，设计了模糊PD控制算法，为了进一步改善控制效果，本文根据人机耦合动力学模型设计了滑模控制器，利用Lyapunov函数证明了该滑模控制器的稳定性。分析了患者在康复训练中期的临床表现及训练要求，设计了导纳控制算法进行主动训练。 最后，通过检测足底力和肌肉力，判断人体运动意图，并且进行了独立PD控制、模糊PD控制和滑模控制实验对比，证明了所设计的滑模控制器的优越性和有效性，进而完成外骨骼下肢穿戴实验，并且进行主动训练实验验证了所设计导纳控制算法的有效性。

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