下肢外骨骼康复行走机器人控制系统设计

下肢外骨骼康复机器人是一种帮助偏瘫患者恢复和重建行走能力的机器人，是机器人技术应用于医学领域的新产物。下肢外骨骼机器人可以解决传统康复技术所带来的弊端，拥有康复过程多样化、程序化等优点，并且可以记录详实的步态等康复数据，易于评价患者的行走康复水平。本课题所研究的下肢外骨骼机器人就是这一领域机器人的一种。 本文首先对国内外下肢外骨骼机器人现状进行充分研究，结合最新发展方向对下肢外骨骼机器人机械结构进行优化设计，避免外骨骼机械结构的干涉并且增加机器人的柔性。在对外骨骼机器人进行运动学以及动力学分析同时，结合正常人步态验证外骨骼机器人结构的合理性。基于外骨骼运动学对外骨骼单关节控制策略进行深入研究，分析了弹性驱动器在伺服控制下的性能，提出了机器人单关节两种控制策略，并在此基础上设计了外骨骼机器人步态控制策略，除此之外，还分析了外骨骼的人机交互控制策略，为外骨骼的人机交互实验提供了基础。运用了ADAMS动力学软件对机器人运动状态进行仿真，验证本文所提出运动学模型。 其次，搭建了下肢外骨骼机器人控制系统平台，控制系统的硬件基于PC上位机和EPOS下位机，利用直流伺服电机驱动下肢外骨骼，并在此硬件结构基础上开发了应用于此系统的运动控制软件，实现了外骨骼步态控制的两种模式，并且可实时观察电机的运行状态，记录外骨骼机器人的实验数据。 最后，基于下肢外骨骼机械结构以及控制系统展开了一系列的外骨骼空载实验，同时对实验的数据进行分析，初步验证了下肢外骨骼控制系统的功能性。