基于CompactRIO的外骨骼机器人传感与控制系统研究

摘要

外骨骼机器人是一种实现人-机协同、对人体行为起增强作用的机电液一体化穿戴式装置。它与其他穿戴式机器人所不同的是穿戴者在控制回路中，要将传感系统与控制方法相结合进行设计。因此，本文从以下几个方面针对本团队自研的电液驱动下肢外骨骼装置进行传感与控制系统研究: 外骨骼机器人传感与控制系统的软硬件开发。基于本团队下肢外骨骼装置对传感与控制系统模块化、轻量化的要求，进行硬件设计，包括传感器方案设计、足底压力传感器调理模块、编码器SSI-CAN通讯模块、伺服阀驱动模块、电源模块的电路设计与制作。基于CompactRIO完成多路信号同步数据采集系统开发，分别编写FPGA、实时控制器、上位机HMI界面的LabVIEW程序，并利用数字滤波技术对关键感知信号进行滤波处理。 外骨骼机器人单腿控制算法研究。针对机器人动力学模型难以准确搭建的难点，采用一种控制运动末端人-机交互力的轨迹跟踪策略，该策略通过建立运动学模型，将人-机交互力作为控制量，采用运动末端的轨迹作为控制跟踪的参考。基于运动学模型，分别搭建摆动相与支撑相速度分解模型，得到PID控制器的输入，速度分解模型经MATLAB仿真验证误差极小。建立阀控缸、关节数学模型，对下肢关节速度控制系统进行Simulink仿真分析，得出参考PID参数。 外骨骼机器人单腿控制试验研究。进行了单腿固定轨迹试验、摆腿试验、蹲起试验以及平地行走试验。其中固定轨迹跟随试验采用标准人体步态数据作为输入，通过编码器反馈实时位置，验证伺服阀PID控制器的准确性。为了验证引入人-机交互力的单腿控制算法在摆动相与支撑相的性能，进行摆腿试验和蹲起试验。由人体自然行走时足底压力信号规律得到支撑相与摆动相间的步态切换的足底压力信号阈值，进行平地连续行走试验检验单腿控制算法的综合表现。角速度误差分析、人机交互力和穿戴者感受表明:本文的传感控制系统能够保证外骨骼机器人稳定可靠运作，本文采用的单腿控制算法能够满足人体正常行走要求，亦能完成较复杂的蹲起动作，有较好的助力效果。尽管力反馈控制有一定的时间延误，穿戴者感受验证了本文基于交互力控制的单腿控制算法具有柔顺性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章绪论

1．1课题研究意义

1．2外骨骼机器人研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．2．3国内外调研总结

1．3外骨骼机器人传感与控制国内外研究现状

1．3．1人体步态感知分析

1．3．2下肢外骨骼样机感知方案与控制策略

1．4课题研究目标及内容

1．4．1研究目标

1．4．2研究思路与章节安排

1．5本章小结

第2章外骨骼机器人传感与控制系统硬件设计

2．1引言

2．2外骨骼机器人总体架构

2．2．1需求分析与外骨骼装置介绍

2．2．2控制策略与感知方案

2．2．3传感器与控制器方案

2．3传感与控制系统硬件设计

2．3．1传感器调理电路

2．3．2伺服阀驱动模块设计

2．3．3编码器SSI-CAN转换模块

2．3．4电源模块设计

2．4本章小结

第3章外骨骼机器人数据采集程序设计

3．1引言

3．2外骨骼机器人软件总体框架

3．3数据采集程序设计

3．3．1 FPGA程序设计

3．3．2实时控制器程序设计

3．3．3上位机HMI界面设计

3．3．4数据滤波处理

3．4本章小节

第4章外骨骼机器人单腿控制研究

4．1引言

4．2基于人机交互力的速度分解算法

4．2．1摆动腿运动学模型及速度分解

4．2．2支撑腿运动学模型及速度分解

4．2．3运动学模型验证

4．3下肢关节速度控制系统设计

4．3．1电液伺服系统数学模型

4．3．2关节数学模型

4．3．3 PID控制器仿真

4．4单腿控制算法LabVIEW程序设计

4．5本章小结

第5章外骨骼机器人传感与控制系统试验研究

5．1引言

5．2外骨骼机器人系统集成

5．3外骨骼机器人传感与控制系统试验研究

5．3．1固定轨迹跟随试验

5．3．2摆动腿跟随试验

5．3．3支撑腿蹲起试验

5．3．4平地行走试验

5．4本章小结

第6章总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献