下肢外骨骼机器人行走过渡稳定性控制研究.pdf

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1、第33卷第9期计算机仿真2016年9月文章编号：1006—9348(2016)09一0375一05下肢外骨骼机器人行走过渡稳定性控制研究闫大富，邓华，钟国梁(中南大学机电工程学院，湖南长沙410083)摘要：研究下肢外骨骼机器人行走过渡稳定性控制问题。下肢外骨骼机器人在行走过程中会受到地面反力作用，具有作用强度大和瞬变的特点。为了解决地面反力造成下肢外骨骼机器人在行走过渡期中控制稳定性下降和运动精度不足的问题，提高行走过渡控制的稳定性和鲁棒性，提出了一种滑模鲁棒控制策略用于过渡期的控制中。仿真结果表明：相对于传统PlD控制、模糊PlD控制，采用滑模鲁棒控制能够有效

2、地提高行走过渡控制的稳定性，并且能够适应负载的变化，使系统具有较好的鲁棒性和控制精度。关键词：下肢外骨骼机器人；过渡稳定性；地面反作用力；滑模鲁棒控制；仿真中图分类号：TP242文献标识码：BTheInVestigationonWall【ingTra吣itiollingStabilityControlofLowerExtremityExoskeletonYANDa—fu，DENGHua，ZHONGGuo—liang(CollegeofMechanicalandElectricalEn舀nee—ng，CentralSouthUniversity，ChangshaHu

3、nan410083，China)ABSTRACT：Thegroundreactionforceoflowerextremityexoskeletonappea^nginthetransitionperiodwasanalyzedinthepaper．Thegroundreactionfbrceisn。ansientlychangingandgreat．Becauseoftheexistenceofthegroundreac—tionforce，therobustnessandcontrolaccuracyofthecontmlsystemareinnuenced．

4、1nordertoimpmvetherobust·nessandcontrolstability，aslidingmodembustcon【mlbasedondynamicmodelwasappliedtotransitioncontml．SimulationandcomparisonofsinglePIDcontrol，fuzzyPIDandslidingmoderobustcontmlwerecaniedout．ThesimulationresultsshowthattheslidingmoderobustcontmlcanimpmVetransitionin

5、gstability，therobustnessandcontmlaccuracyofthesystem．KEYWoRDS：Lowerextremityexoskeleton；Transitioningstability；Gmundreactionforce；Slidingmodembustcon—trol：Simulation1引言下肢外骨骼机器人是一种增强人体能力的新型机器人，可以用于人体助力和医疗康复。一般而言，外骨骼的应用可以分为两类：放大人体的力来完成某种作业任务，如：BLE—Ex⋯；为人体提供助力帮助人完成行走等日常任务，如：LOKOMAT¨J。在两种

6、应用情况下，都要求外骨骼根据任务要求为人体提供合适的助力。在后一种应用中，外骨骼的应用为执行日常任务。人体的日常运动包括行走，坐立和站立等，其中行走又可以划分为多个相序。外骨骼应该根据任务的不同提供不同的控制方法。把各种不同控制方法结合在一起的控制策略称为混合控制∞’41。基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)基金(2013CB035504)国家自然科学基金资助项目(51405515)收稿日期：2015—1l—12修回日期：2015—11—20在人体行走过程中，可以根据脚底地面反作用力的分布情况，将人体步态划分为支撑期，摆动期，摆动期到支撑期的过渡期和支撑期

7、到摆动期的过渡期‘1。。其中，两个过渡期存在于任何行走助力外骨骼中。过渡期控制的平稳性和安全性对于外骨骼而言不容忽视。然而由于过渡期中地面反力强度大，尤其是摆动期到支撑期的过渡期还存在作用反力突变的情况，会造成下肢外骨骼机器人在行走过渡期中控制稳定性下降，引起运动精度的降低。但是，国内外研究者对此问题少有关注。本文根据外骨骼摆动期自由灵活和支撑期安全稳定的要求，以混合控制策略【33为控制基础。针对外骨骼过渡期存在的控制问题，本文提出采用一种基于模型的滑模鲁棒控制策略用于过渡期的控制，以提高行走过渡中的稳定性和鲁棒性。一375—2下肢外骨骼机器人系统2．1下肢外骨骼

8、机器人系统