下肢助力外骨骼机器人的研究

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1、硕士学位论文下肢助力外骨骼机器人的研究RESEARCHONTHELOWER-LIMBEXTREMITYEXOSKELETONROBOT彭延云哈尔滨工业大学2016年6月国内图书分类号：TP242.3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下肢助力外骨骼机器人的研究硕士研究生：彭延云导师：丛大成教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP243.3Schoolcode:

2、10213U.D.C:621.865.8Securityclassification:publicDissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONTHELOWER-LIMBEXTREMITYEXOSKELETONROBOTCandidate：PengYanyunSupervisor：Prof.CongDachengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicEngin

3、eeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2016Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要通过助力外骨骼机器人辅助因脊髓损伤等原因致残的患者的进行站立及行走活动，帮助患者减轻并发症及痛苦，使其最大限度的回归正常生活已成为医疗领域的迫切需求。本文针对辅助残疾人行走的下肢助力外骨骼机器人展开一些探索性研究，具体包括机

4、器人机械系统的设计、外骨骼系统运动学与动力学分析、控制算法的研究及实验平台的建立与实验验证等。进行机械系统的设计，首先应明确使用对象的特殊性，了解脊髓损伤后的病征，为设计奠定医学基础。其次对人体的下肢结构及运动特征分析，明确人体尺寸及下肢活动范围。在此基础上确定机器人关节自由度，并选择合适的驱动方式，进行了总体结构设计，加工研制样机。对外骨骼机器人进行运动学分析，了解机器人运动特性，确定末端位姿与关节转角间的关系，为执行器的选型提供依据。对机器人人机系统进行动力学分析，利用拉格朗日方程依据不同的行走阶段建立了三

5、种动力学模型，为机器人控制奠定基础。基于Adams模型进行了动力学仿真，验证所建立动力学模型的正确性，并以此为基础建立Adams-MATLAB联合仿真平台。采用基于动力学的计算力矩法进行机器人系统的轨迹跟踪控制，但是由于系统干扰较大，动力学建模误差大，导致计算力矩法失效。在此基础上提出了基于滑模变结构补偿的计算力矩法，补偿了建模误差，针对滑模变结构控制系统抖振问题，引入了准滑模动态控制，采用饱和函数代替符号函数，有效降低了抖振。但是滑模补偿器中切换增益依赖于系统建模误差上界，估值不准将导致系统控制性能下降，因此

6、提出了利用RBF神经网络自适应学习滑模补偿器中的切换增益。对上述算法均进行了李雅普诺夫稳定性的理论证明，并通过联合仿真验证了算法的控制效果。最后，基于xPCTarget进行了控制系统的设计，对系统硬件组成进行了介绍，设计了硬件电路，搭建了系统框图。并开始对实验样机进行单关节调试及多关节步态跟踪实验，以验证系统各模块的可靠性及算法的可行性，发现设计过程中存在的缺陷问题，为设计优化提供指导。关键词：下肢助力外骨骼机器人；脊髓损伤；轨迹跟踪控制；计算力矩法I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractThereis

7、aurgentdemandinthemedicalfieldthatusingextremityexoskeletonrobotforhelpingpeoplewhoaresufferingcompletespinalcordinjurytostandingandlocomotion.Theexoskeletonsalsocanhelppatientstoreducecomplicationsandpain,andthesepatientscanreturntonormallifeassoonaspossibl

8、e.Thispaper’spurposeisdoingsomeexploringresearchonthelower-limbextremityexoskeletonsforhumanlocomotionassistance.Includingthedesignoftherobotmechanicalsystem,theexoskeletonsystemkinematicsanddyn