基于混合相位控制的下肢外骨骼系统设计与研究

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1、硕士学位论文基于混合相位控制的下肢外骨骼系统设计与研究DESIGNANDRESEARCHONAHYBRIDPHASECONTROLBASEDLOWERLIMBEXOSKELETON李政阳哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：621.865.8密级：公开工学硕士学位论文基于混合相位控制的下肢外骨骼系统设计与研究硕士研究生：李政阳导师：董为教授申请学位：工学硕士学科、专业：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP242

2、.2U.D.C:621.865.8DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringDESIGNANDRESEARCHONAHYBRIDPHASECONTROLBASEDLOWERLIMBEXOSKELETONCandidate:LiZhengyangSupervisor:Prof.DongWeiAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechatronicsEngineeringAffiliation:SchoolofMechatronicsEn

3、gineeringDateofOralExamination:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology：哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要助力型外骨骼机器人是一种能够通过驱动模块增强人体肌肉能力的可穿戴式设备，其在军事作战、医疗康复及工业搬运等场合有着广泛的应用。在外骨骼研究领域，人体运动趋势的检测及人机耦合控制一直属于热门研究方向。本文主要从类人化结构设计、传感系统与步态识别、动力学与控制及样机搭建与实验方面对下肢外骨骼机器人进行研究。首先，基于对人体生理结

4、构及运动特性的分析，得到类人化下肢外骨骼机器人设计的指标，并针对该指标对下肢外骨骼的各部分进行设计，其中髋关节、膝关节矢状面内的伸屈设计为主动自由度，并在驱动关节安装串联弹性驱动器，增加关节的柔性，髋关节外展/内收安装重力平衡弹簧，减轻人体负重感，膝关节设计为异构型，以防止出现雅可比矩阵奇异，踝关节设计为远心机构，使人机的旋转轴重合。为了满足控制算法的要求，设计了下肢外骨骼机器人的传感系统，包括关节角度、力矩检测及姿态位置检测，并提出了基于运动末端的人机交互检测策略。同时基于Kalman滤波器对多传感器信息进行融合，滤除干扰信号，并对人体意图进行预测

5、，以弥补控制算法的滞后性。本文对人体运动步态进行分析，对支撑相做了详细的划分，对应地设计了新型的足底信息检测装置，提出了基于COP(CenterofPressure)的步态切换算法，并基于此完成步态辨识实验。应用D-H坐标系对下肢外骨骼机器人的运动学进行分析，求出关节工作空间，并基于拉格朗日方程得到不同相位的动力学模型。针对不同相位提出对应的控制算法，根据运动末端检测到的人机交互信息通过雅可比矩阵反解到关节空间中，通过力矩反馈形成闭环控制。为了增强控制系统的自适应性，在控制系统中引入滑模控制，并基于模糊增益消除传统滑模的抖振问题，使用该控制方法进行轨

6、迹跟踪仿真，跟踪误差较小。并进行坐转站动作控制。建立下肢外骨骼机器人样机实验系统，分别进行关节空载实验、固定轨迹跟踪实验、人机协同运动实验，验证了所搭建样机的可靠性和所提出的控制算法的有效性，满足所提出的系统设计目标。关键词：下肢外骨骼；类人化设计；步态识别；混合相位；人机协同控制-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractHumanaugmentedexoskeletonisawearabledevicewhichcanenhancehumanmuscleabilitybyactuatedunit.Thesedeviceshavebeenw

7、idelyusedinmilitarybattle,medicalrehabilitationandindustrialhandling.However,thehumanintentionacquirementandhuman-machineinteractivemotionaredifficultiesintheresearchofexoskeleton.Thispaperisfocusedonanthropomorphicdesignofthelowerlimbexoskeletonprototype,sensingsystemandhumang

8、aitrecognition,dynamicmodelandcontrolleraswellasprotot