基于反步法的下肢外骨骼机器人控制研究

针对下肢外骨骼预定轨迹的控制问题,在构建了二自由度机械腿的运动学和动力学模型的基础上,提出了一种非对称液压缸负载力、伸缩量与外骨骼转动扭矩、运动角度的转化关系,采用反步法控制下肢外骨骼系统的运动轨迹。首先,采用D-H法建立了二自由度下肢外骨骼系统的运动学模型,研究了外骨骼末端执行器关节速度的变化关系,并利用拉格朗日动力学方程推导了外骨骼动力学的数学模型;然后,使用了液压缸负载力控制为机械腿运动提供了相应的扭矩,进而控制了下肢外骨骼的运动姿态;其次,针对下肢外骨骼运动时的高精度要求,利用反步法控制理论,建立了阀控非对称缸系统,结合下肢外骨骼动力学系统整体的状态空间方程,利用下肢外骨骼液压伺服系统控制了下肢外骨骼进行预定轨迹运动;最后,对AMESim软件与Visual Studio软件进行了联合仿真,对比分析了PID控制与反步法控制的精度问题。研究结果表明:针对下肢外骨骼预定轨迹控制,反步法控制误差最大值为2°,对比传统PID控制,误差降低了67%;设计的反步法控制器对于下肢外骨骼具有良好的控制精度。

下肢外骨骼运动康复机器人的动力学分析与仿真

通过对正常人体的步态数据进行分析,提出一种下肢外骨骼机器人的鲁棒自适应PD控制策略,首先运用NOKOV三维红外捕捉系统收集正常人体步态信息,然后运用拉格朗日法分别建立单脚支撑和双脚支撑动力学模型,再根据构建的模型选取适应的控制器,最后通过MATLAB仿真验证设计的控制方式的稳定性与数据的正确性。设计的机器人髋关节和膝关节都能快速跟随到期望角度,同时通过相似函数验证机器人的运动轨迹与人体运动轨迹高度相似,表明机器人具有良好舒适性,也验证数据正确性。说明提出的控制方法是有效的,可为后续驱动源的选择等提供参考,有助于受伤运动员进行康复运动。

基于趋近律的下肢外骨骼机器人滑模控制研究

针对下肢外骨骼机器人(LLER)尺寸调节不连续和跟踪精度低的问题,设计了一种变尺寸LLER。采用UG NX建立了LLER三维模型,采用3D打印制作了LLER实物;利用拉格朗日法建立了LLER动力学方程,采用趋近律方法建立了LLER滑模控制器;采用Simulink对LLER进行了动力学仿真。仿真结果表明:髋、膝关节的关节角位移误差不超过2.3°,关节角速度变化平稳,关节驱动转矩无明显冲击。控制参数k,ε的大小影响LLER关节角位移跟踪误差、起动转矩和驱动转矩的幅值,且2个控制参数相互制约。

State Classification and Motion Description for the Lower Extremity Exoskeleton SJTU-EX

A lower extremity exoskeleton, SJTU-EX, is proposed, which mainly aims to help soldiers and workers to support a payload in motions. To solve the issues of the exoskeleton-environment and exoskeleton-human interactions, four types of foot contact are proposed based on their different kinematic characteristics. By the combination of single leg states, sixteen exo- skeleton states are presented using a series of meaningful notations from the topological point of view. The generalized function set （GF set） theory is employed to achieve the kinematic characteristics of the end effectors in different states. Moreover six mathematical formulations of the dynamics of the exoskeleton and its interactions with the human wearer are developed for different exoskeleton states. The applicability and potential of the proposed classification method are demonstrated by analyzing common lower limb motions, which are described concisely by a sequence of notations. Finally, a new concept of characteristic state is put forward to uniquely indicate the type of motion.

医疗助力下肢外骨骼设计及动力学仿真分析

针对人体下肢受伤康复等问题,设计了医疗助力下肢外骨骼机器人.对下肢外骨骼系统进行了基本结构设计,把下肢运动分单腿、双腿支撑的不同时期,进行了下肢外骨骼系统动力学计算.通过Lagrange方程,得到各关节力矩计算公式,建立了三维模型,利用基于接口的协同仿真技术并结合ADAMS和MATLAB软件对外骨骼进行联合仿真,得到单腿支撑时期各关节角度变化曲线及力矩变化曲线,对比仿真数据和理论计算数据,验证了理论模型的合理性.通过下肢外骨骼仿真分析设计,为后期下肢外骨骼运动控制及模型制造提供重要数据与理论基础.

下肢外骨骼机器人动态建模与步态跟踪LQR控制

针对下肢外骨骼机器人步态轨迹与参考轨迹存在较大跟踪误差的问题,提出一种线性二次型调节器(LQR)控制方法来取代常规PD控制。根据牛顿-欧拉方程和系统参数辨识,建立人机一体化的下肢外骨骼机器人系统的动态模型,并进行LQR控制参数设计和稳定性分析。仿真和实验结果表明,基于LQR控制的下肢外骨骼机器人能很好地跟踪步态参考轨迹,误差比PD控制更小。上述建模方法和控制策略有效,为下肢外骨骼机器人的研究和设计提供参考。

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.

基于模糊PID滑模控制的外骨骼控制系统设计

通过设计的一种下肢外骨骼机器人,建立下肢外骨骼的动力学方程及其电液伺服控制系统的阀控液压缸模型.针对下肢外骨骼步态控制过程中电液伺服位置控制系统的非线性、外在干扰等问题,设计了一种模糊PID滑模控制系统,通过滑模控制的切换函数,在不同情况下,结合模糊控制、PID控制的特点,选取不同的控制方式,并通过仿真分析,获知该控制器是有效可行的.