下肢外骨骼助力机器人控制系统研究

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1、：１０７论文分类号：２学校代码０８学号：１５０５００５ＳＨＡＡＮＸＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＥＮＩＵＮＩＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文ＴｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒ’ｓＤｅｇｒｅｅ下肢外骨骼助力机器人控制系统研究陈宇指导教师姓名：夏田教授学科名称：机械制造及自动化论文提交日期：２０１８年６月论文答辩日期：２０１８年５月学位授予单位：陕西科技大学申请工学硕士学位论文论文题目：下肢外骨骼助力机器人控制系统研究学科门类：工学一级学科：机械工程培养单位：机电工程学院硕士生：陈宇导师：夏田教授2018年5

2、月StudyofLowerExtremityExoskeletonAssistantRobotControlSystemAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByYuChenSupervisor:Prof.TianXiaMay2018下肢外骨骼助力机器人控制系统研究摘要下肢外骨骼助力机器人是一种结合了机器人技术、生物传感技术以及智能通

3、信技术等的可穿戴式机器人，它能够应用于军事作战、医疗康复及应急救灾等领域。近年来，随着社会进入老龄化阶段，具有运动障碍的人越来越多，本课题所涉及的下肢外骨骼助力机器人及其控制系统研究正是为了帮助这一群体进行康复训练乃至实现助力行走而设计。在了解了国内外的可穿戴式下肢外骨骼助力机器人发展状况的基础上，对其关键技术与技术难点进行分析与研究，确立了本文的研究目标及方法。为了完成整套机械结构与控制系统方案设计，本文主要做了以下工作：（1）总体设计：根据人体下肢运动特征完成下肢外骨骼助力机器人结构设计与装配，并提出控制系统的总体方案设计。（2）通过对下肢外骨骼助力机器

4、人建立D-H运动模型，完成其运动学和动力学分析，并利用拉格朗日算法得到系统动力学方程。为了更好地实现不同运动模式下的控制，通过查阅资料拟合出人体下肢关节在不同运动过程中的轨迹变化函数，为控制信号输入提供参考。（3）轨迹规划及信息跟踪：通过在MATLAB/Robotics工具箱中建立机器人连杆模型，并对其正、逆运动学分析进行验证。同时实现对下肢外骨骼机器人任意位置运动过程中运动端点的位置、速度、加速度的跟踪监测。（4）控制算法仿真分析：在上述连杆模型动力学模型的基础上，本文提出了两种控制算法包括神经网络自适应控制算法和模糊补偿控制算法，通过对控制器参数的调节，

5、发现在一定误差范围内理论轨迹能够很好地跟踪期望轨迹，具有较好的抗干扰性。（5）试验平台的搭建：以“固高”嵌入式运动控制器为核心，搭建了下肢外骨骼助力机器人的控制系统，包括对传感模块及驱动模块的硬件设计与分布。并提出了主、被动的控制策略以及实现方法，可分别应用于行走助力与医疗复训练。在已搭建的试验平台上通过配套软件对运动轨迹进行数据化处理，并完成了被动行走模式下对各关节角度的验证试验，为后期完善下肢外骨骼助力机器人主动控制系统提供参考。通过以上工作表明：本课题所采用的控制算法以及硬件设计方案基本满足后续对下肢外骨骼助力机器人控制系统进行深入研究的条件。I关键词

6、：下肢外骨骼助力机器人，控制系统，算法仿真，硬件平台IIStudyofLowerExtremityExoskeletonAssistantRobotControlSystemABSTRACTThelowerlimbexoskeletonboosterrobotisawearablerobotwhichcombinesrobotics,biosensors,andsmartcommunicationstechnologies.Itcanbeusedinmilitaryoperationsaswellasinmedicalrehabilitationanddis

7、asterrelief.Inrecentyears,asthesocietyenterstheagingstage,therearemoreandmorepeoplewithsportsbarriers.Thelimbexoskeletonassistedrobotanditscontrolsysteminthistreatisearedesignedtohelpthisgrouptocarryoutrehabilitationtrainingandevenhelpwalking.Basedontheunderstandingofthedevelopment

8、ofwearablelowerlimbexoskel