自主减重外骨骼下肢机器人的混合控制系统设计与实现

摘要

外骨骼下肢机器人是一种可穿戴机器人,可实现人体运动功能的增强和重建,广泛应用于康复工程、军事和应急救灾等领域。本论文针对人体运动功能增强的自主减重应用,搭建了一套 PRMI外骨骼下肢机器人分布式控制系统,并在系统上实现其混合控制算法。
　　本文设计实现了一种基于 PRMI自主减重外骨骼下肢机器人的分布式三层控制系统架构。该控制系统架构由主控制器层、中间层节点控制器层和底层传感执行层组成,实现了主控制器和低层感知与执行层之间的协调。中间层的节点控制器和底层的传感执行模块由多个节点组成,形成分布式的控制和传感节点,可实现对节点的快速感知和控制,缓解了主控制器的计算和决策压力。这种分布式三层控制系统结构有效地提高了系统的效率和稳定性,为后续的混合控制算法提供了验证平台。
　　为了更好地实现对外骨骼机器人的控制,本文分析了外骨骼机器人的逆动力学建模方法,建立了基于拉格朗日方程的外骨骼机器人多连杆模型。根据关节角度、角速度、角加速度等传感信息,本文采用拉格朗日方程对系统进行分析,利用逆动力学模型得到关节力矩。根据人体步态基本周期,对外骨骼下肢机器人的摆动腿采用顶端固定的二连杆模型进行建模,而支撑腿则采用底端固定的三连杆模型进行建模,实现了PRMI外骨骼下肢机器人的简化连杆模型。
　　在上述多连杆动力学模型的基础上,本文提出了一种针对自主减重应用的混合控制算法。该混合控制算法由基于动态模型补偿的模糊PD主从控制算法和基于动力学模型的力矩放大控制算法组成,通过脚底压力反馈数据进行阶段判断,应用上述建立的 PRMI外骨骼机器人动力学模型对支撑腿和摆动腿分别采用主从控制算法和力矩放大控制算法来实现控制。通过测试实验验证了混合控制算法在当前系统中的可行性,该混合控制算法与其它控制算法相比具有更好的稳定性与快速响应性。

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第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的结构安排

第二章 PRMI自主减重外骨骼下肢机器人系统设计

2.1 外骨骼机器人机械结构

2.2 外骨骼机器人传感系统

2.3 外骨骼机器人控制系统

2.4 外骨骼机器人执行机构

2.5 小结

第三章 控制策略对比和动力学模型分析

3.1 控制策略评估对比

3.2 外骨骼机器人动力学分析

3.3 小结

第四章 混合控制算法的研究和实现

4.1 执行机构的阻力力矩模型分析

4.2 主-从位置跟随控制算法的研究

4.3力矩放大控制算法的研究

4.4 混合控制算法研究与实现

4.5 小结

第五章 总结和展望

5.1 全文总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果