助力下肢外骨骼主被动混合控制策略研究与实现

摘要

下肢助力外骨骼机器人作为一种可穿戴机器人，在军事应用、工业搬运、灾难救援、户外运动、医疗康复等领域有着广泛的应用前景。传统的单一控制方法难以在不同步态阶段或场景下达到较好的控制效果，而混合控制策略通过结合多种控制方法的优势来达到较优的控制效果，本文主要基于负重型助力下肢外骨骼系统提出了一种混合控制策略，旨在快速跟随穿戴者进行不同场景下运动的同时在适当的时机提供适当大小的力量辅助，降低穿戴者的疲劳感，本论文的主要工作成果可以归纳为如下几点： 通过人体运动步态周期与能耗分析，确定了人体机能增强型外骨骼(HUman-powered Augmentation Lower EXoskeleton，HUALEX)的拟人化机械结构和液压动力系统的相关参数，由于在行进过程中左右腿重复同样的动作序列，所以我们在建模和控制时只考虑单侧腿，并就单腿的支撑阶段和摆动阶段运动过程建立了简化的人机系统模型。 提出了一种基于压力中心(Center of Pressure，CoP)的步态检测方法，通过脚底压力信息来辨识穿戴者的运动意图是一种常用的人机交互方式，在步态检测中，我们将人体运动步态周期划分为摆动、脚跟着地、站立、脚跟离地四个阶段。传统的基于脚底压力阈值的步态检测方式需要根据不同体重穿戴者对压力阈值进行修改，而基于CoP的步态检测方法能较好的适应穿戴者体重的变化，从而提供更加精准的步态检测结果。 在步态检测的基础上提出了一种适用于HUALEX系统的混合控制策略，该混合控制策略主要由支撑阶段的主动驱动控制和摆动阶段被动驱动控制组成，这样能同时满足支撑阶段高力矩低带宽和摆动阶段高带宽低力矩的不同需求，实现更好的助力效果与穿戴体验。在摆动阶段主要通过控制液压阀组改变油路实现被动跟随，在支撑阶段主要通过模型预测控制来实现背部负重的支撑，并在脚跟着地和脚跟离地阶段分别采用重力补偿和变阻尼控制实现摆动和站立的平滑过渡，防止力矩突变造成系统不稳定，影响穿戴体验。 搭建了一套液压助力下肢外骨骼机器人系统HUALEX，它主要由半拟人化机械结构、液压动力单元、感知与控制系统几部分构成，机械结构主要负责将背部负重传导至地面，而液压动力单元则为外骨骼关节提供动力来源，感知与控制系统主要根据各种传感器来获取外骨骼与穿戴者的状态信息并控制末端执行机构在适当的时刻给予适当大小的力量辅助，帮助穿戴者分担背部负重。系统性能测试表明，HUALEX最大负重50kg，最大行进速度5km/h。 在基于压力中心的步态检测方法和混合控制策略的作用下，助力下肢外骨骼系统HUALEX能快速准确的辨识穿戴者的运动意图，并能在负重下实现平地行走、上下斜坡、上下楼梯等动作。

目录

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第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2助力下肢外骨骼发展现状

1.2.1助力下肢外骨骼国外发展现状

1.2.2助力下肢外骨骼国内发展现状

1.3助力下肢外骨骼控制策略研究现状

1.4论文主要内容及结构安排

1.5本章小结

第二章 人体运动步态分析及人机系统建模

2.1引言

2.2人体运动步态分析

2.2.1步态周期

2.2.2人体运动能耗分析

2.3人机系统建模

2.3.1支撑阶段建模

2.3.2摆动阶段建模

2.4本章小结

第三章 助力下肢外骨骼混合控制策略设计

3.1引言

3.2 HUALEX控制系统

3.3步态检测

3.3.1步态检测概述

3.3.2基于CoP的步态检测

3.4 HUALEX混合控制策略

3.4.1站立阶段控制

3.4.2摆动阶段控制

3.4.3过渡控制

3.4.4低功耗模式

3.5执行器控制

3.6本章小结

第四章 HUALEX助力下肢外骨骼系统

4.1引言

4.2 HUALEX助力下肢外骨骼系统综述

4.2.1 HUALEX助力下肢外骨骼系统迭代历程

4.2.2 HUALEX助力下肢外骨骼系统框架

4.3机械液压系统

4.3.1仿生机械结构

4.3.2液压动力系统

4.4软硬件系统

4.4.1传感系统

4.4.2嵌入式软件系统

4.4.3数据监控系统

4.5本章小结

第五章 助力下肢外骨骼混合控制策略实验分析

5.1引言

5.2步态检测实验

5.3模型预测控制Matlab仿真实验

5.3.1模型预测控制实验

5.3.2模型预测控制对比实验

5.4混合控制策略实际系统实验

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1全文总结

6.2后续展望

致谢

参考文献