论文部分内容阅读
下肢外骨骼机器人在军事、负重及助残等方面大放异彩。其本着以人为主、机械为辅的设计原则,具有保护、支撑人体的功能,同时可以提升人体的运动能力。随着国民经济快速健康的发展和人民生活水平的不断提高,膝上截肢者迫切希望能够在负重情况下从事上下楼梯及登山探险等活动,截肢士兵也渴望能够继续执行负重远距离行军及救援任务。但目前外骨骼机器人均仅针对双腿健在的人群,尚无可供膝上截肢患者穿戴的外骨骼机器人。针对下肢截肢患者实现日常行走与负重行走功能的需求,本文将外骨骼机器人及智能下肢假肢的研究结合起来,提出一种面向膝上截肢者的非对称外骨骼机器人。相对于健全人使用的外骨骼机器人,该非对称下肢外骨骼机器人需要更高的灵敏度和安全性,实现与残疾人的协调控制。针对该非对称外骨骼机器人的实际应用需求,本文提出基于导纳的控制方法对人体下肢各关节进行控制。主要内容包括:(1)人体下肢关节运动数据获取。本文将人体步态分为单腿支撑相和双腿支撑相(包括两腿支撑其中一腿虚触地面),基于七杆模型对人体下肢进行了运动学和动力学建模,求解得到人体下肢各关节在步态周期内关节力矩变化曲线,并验证了人体七杆动力学模型的正确性。(2)下肢外骨骼机器人运动学、动力学建模。在非对称外骨骼机器人机构设计的基础上,基于拉格朗日第一类方程及分割建模思想,分别建立下肢外骨骼机器人摆动相、支撑相的运动学与动力学模型。利用人体行走完整步态周期数据(来自APAS软件),对下肢外骨骼机器人动力学模型进行了仿真计算。(3)下肢外骨骼机器人导纳控制系统建模。在阐述导纳阻抗原理的基础上,建立了下肢外骨骼机器人各关节驱动机构的导纳模型,分析了下肢外骨骼机械腿的阻抗特性;在分析人机耦合系统虚拟惯量补偿的基础上,建立了下肢外骨骼机器人各关节闭环导纳控制系统模型。(4)下肢外骨骼机器人控制仿真及性能评价。由于下肢外骨骼机器人支撑相和摆动相动力学模型不同,本文对下肢外骨骼机器人支撑相和摆动相分别采用导纳控制方法和计算力矩加导纳控制方法。利用本文获得的人体下肢关节运动数据对摆动相进行了导纳控制方法进行仿真,基于仿真结果,对下肢外骨骼导纳控制方法从跟随性和干涉性两方面进行性能评价。