论文部分内容阅读
当今社会，很多国家都在面临人口老龄化、中风和脑血管意外等各种灾难疾病造成的不同程度的偏瘫患者的逐年增加以及新形势下军队提高单兵作战能力需要等状况。而外骨骼机器人作为一种模仿生物外骨骼而开发的可穿戴式新型机电一体化装置，将人的智能与机器人的强大机械能量结合起来，能够为穿戴者提供诸如保护、身体支撑、运动辅助、机能增强等功能，因此成为机器人领域的研究热点，在工业、军事、农业、建设和康复医学等方面有着广泛的应用前景。 本课题依托外骨骼智能系统的国家国际科技合作专项，以4自由度增力型上肢外骨骼为研究对象，总体采用理论分析、数值计算与软件仿真验证相结合的方法开展研究工作。具体工作如下: (1)上肢外骨骼机械结构设计。分析并研究了现有的上肢外骨骼机械结构和人体上肢生理结构与运动特性，提出了本文上肢外骨骼机械结构的初步构想，主要包括自由度、主体机构形式、驱动器等的配置，同时设定了相关运动参数。 (2)上肢外骨骼机器人运动学和动力学模型的建立。运动学分析主要是首先利用改进的D-H方法和MATLAB/Robotics工具箱建立和验证正运动学模型，并基于蒙特卡洛的思想分析外骨骼工作空间;然后利用反变换法和MATLAB/Simulink工具箱求解和验证位置层面的封闭位置逆解;最后利用改进的矢量叉积法和微分变换法求解速度层面的雅克比矩阵。动力学分析主要是对比一些主要的数值法的实时性，提出利用数值-符号法，基于传统的拉格朗日方程法推导出满足实时性的封闭解。 (3)无模型控制器的设计。针对上肢外骨骼的人机高度交互与耦合、复杂非线性不确定等特点，以及现有的控制方法要么结构复杂难以理解，要么控制性能达不到要求的性能指标的不足，设计了结构简单、控制参数易于调节且具有很强的抵抗不确定性能力的鲁棒的基于时滞估计的智能PID无模型控制器(TDE-iPIDs)，并进行了稳定性分析。 (4)基于数学模型的控制器对比仿真验证。利用Simulink工具箱基于数学模型搭建仿真图，对比在理想情况、参数不确定情况、非参数不确定性情况下PID、计算力矩控制以及TDE-iPIDs控制的控制效果，证明TDE-iPIDs控制器的控制性能。 (5)基于实体模型的TDE-iPIDs仿真验证。利用SoildWorks构建4自由度上肢外骨骼的三维虚拟样机，然后联合SimMechanics生成实体模型，最后封装成子系统嵌入Simulink中，与Simulink中的控制系统信号流模型无缝结合，构成完整的系统闭环模型，实现联合仿真测试，进一步验证TDE-iPIDs控制器的控制性能。