行走下肢液压增力外骨骼自适应鲁棒力控制研究

摘要

在很多未知非结构化环境中，如陡峭的山坡，阶梯以及狭窄的通道，重物运输常常不能通过汽车等轮式装置实现。由于腿部结构可以很好的适应多种极端地形，步行成为了一种有效的重物运输方式。尽管很多足式机器人已经被开发出来，但技术的限制使得能适应多种地形的全自主足式机器人在短期内仍然难以实现。作为一种典型的可穿戴的人机一体化装置，下肢增力外骨骼通过将人引入到机器人控制中，可以极大简化机器人的控制器设计。相比于全自主足式机器人，下肢增力外骨骼避免了很多难以解决的技术限制，因而具有更大的应用潜能。当外骨骼能精确跟踪人的运动时，整个重物通过外骨骼传递到地面，人几乎感觉不到负重的存在，进而可以灵活的完成各种动作。因此，下肢增力外骨骼的核心技术是高性能的人机同步控制算法的设计。然而系统固有的非线性，建模不确定性以及多自由度多步态特性均给控制算法设计带来巨大困难。
　　本论文以下肢液压增力外骨骼为研究对象，以实现高精度人机同步控制为研究目标，采用理论分析，仿真与试验研究相结合的方法，系统且逐层深入地研究了下肢液压增力外骨骼高精度人机同步控制方法。首先针对增力外骨骼系统中的非线性，建模不确定性等难题，提出了单关节外骨骼自适应鲁棒级联力控制方法，解决了系统鲁棒性能差的难题，实现了对人运动意图的有效推断及外骨骼对人运动的快速响应和跟踪。同时为了克服级联力控制的频宽限制，又提出了基于整体动力学模型的单关节外骨骼自适应鲁棒反演力控制方法，进一步提升了外骨骼的响应速度。其次针对外骨骼中的多自由度耦合问题，提出了基于加速度观测器的多关节单腿外骨骼自适应鲁棒级联力控制方法。通过设计自适应鲁棒观测器实现对关节速度和加速度的有效估计，之后基于估计出的关节速度和加速度设计底层多变量自适应鲁棒运动跟踪控制器。结合上层人体运动意图推断控制器，最终实现单腿外骨骼对人运动的准确跟踪。最后针对下肢外骨骼行走过程中的多步态及闭链动力学问题，以漂浮的下肢外骨骼为建模对象，根据不同步态下脚部与地面之间的完整约束条件，建立了统一框架下的外骨骼多步态动力学模型。之后针对单腿支撑和双腿支撑两种步态，分别设计了相应的自适应鲁棒级联力控制器。最终在实验样机上实现了外骨骼负重20Kg时对人行走的准确跟踪。
　　本论文共分为六章，现分别简述如下:
　　第一章，介绍了增力外骨骼的研究背景，归纳出实现下肢液压增力外骨骼高精度人机同步控制存在的三大难题;探讨了国内外在增力外骨骼系统组成，人机同步控制方法及机械臂先进运动控制方法等方面的研究现状;最后概述了本论文的研究意义及研究内容。
　　第二章，简述了论文研究所使用的实验平台及其硬件性能参数;建立了下肢液压增力外骨骼的运动学模型;通过建立外骨骼机械本体动力学模型，液压驱动器动力学模型，人机接口动力学模型，获得了多步态下肢液压增力外骨骼完整的非线性动力学模型;最后对下肢液压增力外骨骼系统进行系统辨识和参数计算，获得动力学中的主要参数。
　　第三章，针对单关节外骨骼系统，设计自适应鲁棒力控制器，重点解决外骨骼控制中存在的鲁棒性能差的问题。设计自适应鲁棒级联力控制器，将控制器分为上下层结构，上层通过设计力控制器以减小人机作用力的积分进而生成关节需要跟踪的理想轨迹（此轨迹也可以看作人的运动意图）。底层设计轨迹跟踪控制器以实现对人运动意图的准确跟踪。在上下层控制器中，通过采用自适应鲁棒控制算法，克服了系统的强非线性及各种模型不确定性的影响。通过对比仿真及实验，验证了所提出的控制算法能实现更小的人机作用力以及好的鲁棒性能;为了克服级联力控制的频宽限制，又提出了基于整体动力学模型的单关节外骨骼自适应鲁棒反演力控制方法，对比仿真验证了所提出的反演力控制能实现更快更高精度的系统响应。
　　第四章，针对多关节单腿外骨骼系统，设计多变量自适应鲁棒级联力控制器，重点解决外骨骼中的多自由度耦合问题。设计多变量上层力控制器有效推断出人的运动意图;设计自适应鲁棒观测器解决关节加速度不可测的难题;基于估计出的关节速度和加速度，设计底层多变量自适应鲁棒运动跟踪控制器;从理论上分析了控制器及观测器参数对系统控制性能的影响;对比仿真验证了所提出的多变量自适应鲁棒级联力控制器能实现比独立关节PID控制更高的控制精度。
　　第五章，针对整个下肢外骨骼系统，设计多步态自适应鲁棒级联力控制器，重点解决行走过程中的多步态控制问题。基于第二章建立的外骨骼多步态动力学模型，设计单腿支撑和双腿支撑情况下的自适应鲁棒级联力控制器;对比仿真验证了所提出的多步态自适应鲁棒级联力控制能实现比独立关节PID控制更高的控制精度。最终在实验样机上实现外骨骼负重20Kg时对人行走的准确跟踪。
　　第六章，归纳总结了本论文的主要工作，阐述研究结论和创新点，并对下肢液压增力外骨骼人机同步控制的研究进行了展望。

目录

声明

致谢

摘要

插图

表格

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 增力外骨骼人机同步控制研究概述

1．2．1 典型的增力外骨骼系统

1．2．2 增力外骨骼人机同步控制方法

1．2．3 机械臂先进运动控制方法

1．3 论文的研究意义及研究内容

1．3．1 论文的来源及研究意义

1．3．2 研究内容

1．4 本章小结

第2章 下肢液压增力外骨骼建模

2．1 下肢液压增力外骨骼人机同步控制实验平台

2．1．1 下肢液压增力外骨骼平台

2．1．2 CompactRIO控制系统

2．2 下肢液压增力外骨骼运动学建模

2．2．1 总体定义

2．2．2 外骨骼机械本体运动学模型

2．2．3 关节角度与液压缸位移间的映射

2．3 下肢液压增力外骨骼动力学建模

2．3．1 外骨骼机械本体动力学模型

2．3．2 液压驱动器动力学模型

2．3．3 人机接口动力学模型

2．4 参数计算

2．4．1 外骨骼机械本体动力学参数计算

2．4．2 液压驱动器动力学参数计算

2．4．3 人机接口动力学参数计算

2．5 本章小结

第3章 下肢液压增力外骨骼的单关节自适应鲁棒力控制研究

3．1 动力学模型及问题阐述

3．2 自适应鲁棒级联力控制

3．2．1 控制器整体框架

3．2．2 上层控制器-人体运动意图推断

3．2．3 下层控制器-运动跟踪控制

3．2．4 理论结果

3．2．5 下层运动跟踪控制器的降阶处理

3．2．6 仿真结果

3．2．7 实验结果

3．3 自适应鲁棒反演力控制

3．3．1 整体控制器设计

3．3．2 理论结果

3．3．3 仿真结果

3．4 本章小结

第4章 下肢液压增力外骨骼的单腿自适应鲁棒级联力控制研究

4．1 动力学模型及问题阐述

4．2 自适应鲁棒级联力控制器设计

4．2．1 控制器整体框架

4．2．2 上层控制器—人体运动意图推断

4．2．3 下层控制器-MIMO运动跟踪控制

4．2．4 理论结果

4．3 仿真结果

4．4 本章小结

第5章 下肢液压增力外骨骼多步态自适应鲁棒级联力控制研究

5．1 单腿支撑情况下的自适应鲁棒级联力控制器设计

5．1．1 动力学模型及问题描述

5．1．2 自适应鲁棒级联力控制器设计

5．1．3 理论结果

5．2 双腿支撑情况下的自适应鲁棒级联力控制器设计

5．2．1 动力学模型及问题描述

5．2．2 自适应鲁棒级联力控制器设计

5．2．3 理论结果

5．3 仿真结果

5．4 实验结果

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 论文创新点

6．3 研究展望

附录

参考文献

作者简历及在攻读博士学位期间的学术成果