康復運載型下肢外骨骼的步態(tài)規(guī)劃與軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、可穿戴式外骨骼將機器人提供的強大機械能量與人的智能相結合，是一種新型機電一體化裝置，能夠提供身體支撐、運動輔助、機能增強等功能。在當今人口老齡化趨勢日益嚴重、單兵作戰(zhàn)能力亟待提高的形勢下，外骨骼已經成為機器人領域的研究熱點，并可以應用到眾多領域。
　　本文以康復運載型下肢外骨骼系統(tǒng)為對象開展設計研究。在人體下肢生理結構與步行分析的基礎上，文中給出了具有10自由度的系統(tǒng)結構設計，根據康復運載這一側重點進行了穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃與軌跡跟蹤控制

2、研究。主要研究工作如下:
　　1)下肢外骨骼系統(tǒng)結構設計。歸類總結分析現(xiàn)有研究成果，根據人體步行特性確定系統(tǒng)功能實現(xiàn)所需的自由度數目及其配置，完成系統(tǒng)的結構設計。
　　2)支撐腿與擺動腿運動學、動力學模型的建立。由步行分析得出下肢外骨骼的混雜系統(tǒng)特性，從而分別對支撐腿和擺動腿進行運動學和動力學分析。運動學分析中采用改進的D-H方法，包含了正、逆運動學的求解驗證。在此基礎上，通過拉格朗日方程法得出了動力學模型。結合切換系統(tǒng)描述

3、的離散事件動態(tài)特性，建立完整的外骨骼系統(tǒng)混雜模型。為模擬真實環(huán)境并簡化混雜系統(tǒng)數學模型的構建以及后續(xù)控制器的設計，采用動力學仿真軟件ADAMS建立了下肢外骨骼系統(tǒng)的虛擬樣機。
　　3)穩(wěn)定步態(tài)的規(guī)劃。運載型這一功能特點表明外骨骼占據主導地位并帶動穿戴者實現(xiàn)正常步行，使得穩(wěn)定步態(tài)規(guī)劃成為重要研究內容。對系統(tǒng)步行穩(wěn)定的分析采用的是零力矩點(ZMP)理論，即穩(wěn)定步行需保證ZMP始終位于支撐域內。根據人體步行周期的分析，確定了步態(tài)規(guī)劃的關

4、鍵時刻約束條件，通過三次樣條插值獲得參數化的連續(xù)軌跡。結合穩(wěn)定裕度計算，設計了遺傳算法優(yōu)化步態(tài)參數所需的目標函數。獲得的穩(wěn)定連續(xù)步態(tài)經逆運動學可得出預期關節(jié)軌跡，并通過ADAMS動力學仿真驗證其穩(wěn)定性。
　　4)軌跡跟蹤控制的研究。穩(wěn)定步行的最終實現(xiàn)需要各關節(jié)自由度對預期軌跡進行精確跟蹤?；趧恿W分析所得系統(tǒng)模型的數學描述設計了計算力矩加PD反饋控制器，針對無法獲得精確數學表達的虛擬樣機被控對象設計了無模型思想的TDE-iPID