下肢外骨骼机器人控制系统平台设计及控制算法分析

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1、万方数据分类号UDC密级学位论文下肢外骨骼机器人控制系统平台设计及控制算法分析作者姓名：指导教师：申请学位级别：学科专业名称：论文提交日期：学位授予日期：评阅人：李川王斐副教授东北大学信息科学与工程学院硕士学科类别：工学模式识别与智能系统2014年6月论文答辩日期：2014年6月2014年7月答辩委员会主席：吴成东崔建江李论东北大学2014年6月万方数据AThesisinPatternRecognitionandIntelligentSystemTheDesignofControlSystemPlatformandControlAlgorithmAn

2、alysisforLowerLimbExoskeletonRobotByLiChuanSupervisor：AssociateProfessorWangFeiNortheasternUniversityJune2014独创性声明I嗍剃万方数据本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：李lf日期："20lq-．参2牛学位论文

3、版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后：半年口一年口一年半口两年0学位论文作者签名：签字日期：扣f牛厶1牛导师签名：砂旋签字日卯tt白、v够，’弋”^^，万方数据东北大学硕士学位论文摘要下肢外骨骼机器人控制系统平台设计及控制算法分析摘要下肢外骨骼机器人作为一门新兴的研究领域，涉及到了机器人学，仿生学，人工智能等

4、多门学科。下肢外骨骼机器人的发展借鉴了仿人机器人的经验和技术，可以穿戴在人体上，实现“人机一体化”，其在医学康复领域和军事领域都有较大发展。下肢外骨骼康复机器人将患者从传统的理疗师“一对一”康复训练中解脱出来，改变了人们对于传统康复医疗的认知。在军用领域，下肢外骨骼系统可以最大限度提高士兵的能力，提升其整体素质。本课题承接课题组已有工作，对下肢外骨骼机器人的控制平台搭建和控制算法实现进行了重点研究。本文首先对国内外下肢外骨骼技术研究现状做了总结，在借鉴已有技术成果的基础上，设计了自己的系统方案，该方案以TwinCAT为基础设计控制主站，采用以太网作为

5、控制系统总线，并使用EtherCAT作为通讯协议，提高了数据传播速度与控制精度，实现了多电机协调运动。为了分析系统的可行性，在对系统进行仿真时，本文将外骨骼系统简化为五连杆进行研究，通过拉格朗日方程构建其动力学与运动学模型。在MATLAB／Simulink中分别用基于重力补偿的PD控制和模糊自适应PID控制两种算法对其动力学模型进行仿真，通过结果分析可知模糊PID控制具有较好的控制效果。本文完成了系统硬件平台的搭建，将整个控制系统分为网络层、主站层、从站层和执行层，通过双闭环对系统进行控制。主站控制器，驱动器和执行电机构成内环，通过电机编码器来反馈电

6、机的运动状态，从而完成闭环控制。本课题利用传感器和PC机构成外环。通过传感器采集外骨骼实际运动轨迹，将其输入到PC机中，应用模糊PID控制算法得出精确的控制轨迹，同时输入到控制器中。在控制器中调用运动控制函数，将得出的控制指令输入到驱动器中完成控制。从而使得下肢外骨骼系统很好的完成步态模拟。验证了机构控制系统的功能性。关键词：下肢外骨骼；TwinCAT；动力学模型；模糊PID；闭环控制-II——万方数据东北大学硕士学位文AbstractTheDesignofControlSystemPlatformandControlAlgorithmAnalysi

7、sforLowerLimbExoskeletonRobotAsanewlydevelopedresearchfield,thetechnologyoflowerlimbexoskeletonrobotinvolvesrobotics，Bionics，artificialintelligenceandmanyothersubjects．Thedevelopmentofexoskeletonrobotsdrawsontheexperienceandtechnologyofhumanoidrobots．Itcanbeworninthehumanboayan

8、drealizesthehuman-machineintegration．Ithasagreatdevelo