外骨骼机器人步态设计与运动控制研究

摘要

外骨骼机器人(Exoskeleton robot)是一种基于仿生学，根据人体骨骼功能所设计的机电一体化系统，该系统主要包含可穿着在人体上的机械本体、动力装备、传感系统和驱动装置。外骨骼机器人可以给穿着者提供助力，有效提高穿戴者承载负重的能力，在军事、医疗、商业等方面均有着广阔的应用前景。然而，现有的外骨骼机器人行走的步态轨迹还不能很好地契合人体运动的规律;外骨骼机器人及其控制系统稳定性不够、控制精度不高的问题还普遍存在;外骨骼机器入及其控制系统既要求小型化轻量化，同时还要能够提供大功率驱动的矛盾还没有合适的解决方案。这些问题限制着外骨骼机器人的进一步发展，所以对外骨骼机器人运动步态以及控制系统的研究具有重要的理论意义和实践价值。本文以外骨骼机器人为研究对象，从步态设计、运动控制和高性能驱动三个方面展开研究，主要内容如下:
　　(1)为使得外骨骼机器人运动轨迹能够契合人体行走的客观规律，研究了外骨骼机器人运动步态。从仿生学角度对人体行走步态进行了研究，设计了基于多种传感器的柔性外骨骼机器人多通道信息采集系统，通过大量实验，获得人体行走时各关节角度与足底压力变化数据，采用邻近算法，通过MATLAB提取人体行走的一般规律，判别人体步行轨迹所处的相位，并将其作为机器人行走步态的设计依据，达到机器人行走步态符合人类运动规律的效果。
　　(2)从基本的机器人理论出发，对外骨骼机器人及运动控制方案进行了研究。基于倒立摆模型对外骨骼机器人运动学进行了研究，通过建模和仿真，获得了前向运动中机器人左右腿各关节的变化轨迹，从机器人理论角度论证了外骨骼机器人机械结构设计的合理性;对外骨骼机器人建立了动力学模型，并进行了动力学仿真，计算得到了每个关节驱动装置所需要的驱动力数据，为动力装置选型提供了依据。
　　(3)为解决动力装置小型化的同时无法提供大功率驱动的矛盾，采用直接驱动直线电机(Direct Drive Linear Motor，DDLM)作为外骨骼机器人各关节的动力装置。建立了电机动力学模型，设计了带前馈补偿的PID(Feedforward CompensationPID，FCPID)控制器，来实现控制系统稳定精确运行的目标，搭建了FCPID控制方案整体图，结合MATLAB仿真平台，设计了外骨骼机器人运动控制测试平台。利用离线步态数据进行了无干扰和有干扰情况下的运动轨迹跟踪实验，实验结果表明，该控制系统能够快速稳定地跟踪步态运动轨迹并保持较高的跟踪精度。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 本文研究的背景和意义

1．1．1 研究课题的背景

1．1．2 研究课题的意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 国外研究状况

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 人体结构研究与外骨骼机器人步态设计

2．1 人体下肢结构研究

2．2 人体正常步行规律

2．2．1 正常人体步态中的基本概念

2．2．2 正常人体步态周期规律

2．3 柔性外骨骼信息采集系统设计与实验

2．3．1 柔性外骨骼信息采集系统设计

2．3．2 人体步行运动规律测量实验

2．3．3 步态信息采集实验结果分析

2．3．4 步态曲线拟合与机器人步态设计

2．4 本章小结

第三章 外骨骼机器人运动学与动力学研究

3．1 外骨骼机器人运动学研究

3．1．1 外骨骼机器人质心矢状面轨迹规划

3．1．2 外骨骼机器人质心冠状面轨迹规划

3．1．3 外骨骼机器人踝关节矢状面轨迹规划

3．1．4 外骨骼机器人支撑腿运动角度分析

3．1．5 外骨骼机器人摆动腿运动角度分析

3．2 外骨骼机器人运动学仿真

3．3 外骨骼机器人动力学研究

3．3．1 基于牛顿欧拉公式的动力学分析

3．3．2 基于拉格朗日方程的动力学分析

3．4 外骨骼机器人动力学仿真

3．5 本章小结

第四章 外骨骼机器人高性能驱动研究

4．1 直接驱动电机及其数学建模

4．1．1 直驱电机概述

4．1．2 直驱电机动力学模型

4．2 FCPID控制器设计

4．2．1 FCPID控制算法概述

4．2．2 FCPID控制器设计与仿真

4．3 外骨骼机器人运动控制系统平台设计与搭建

4．3．1 外骨骼机器人运动控制系统整体架构

4．3．2 基于EtherCAT的机器人控制系统通讯方式

4．3．3 外骨骼机器人运动控制系统软件架构

4．4 实时实验过程与结果讨论

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况