可穿戴下肢助力机器人动力学建模及其控制研究

可穿戴型助力机器人是近年来比较热门的研究领域之一,涉及机构学、机器人学、人机工程、控制理论、传感技术、信号处理等学科。可穿戴型助力机器人属于外骨骼机器人的一种,它能将人和机器人二者的优势互补,结合人类的智力与机器人的“体力”,强调人的智能参与到机器人的助力控制中,通过机器人来完成单靠人自身能力无法完成的任务。 本项研究是在国家自然科学基金“可穿戴型智能助力机器人技术研究”和国家863项目“可穿戴型助老助残机器人示范平台”的资助下开展的。具体内容体现以下几个方面: 1.通过分析人体下肢运动特点,在五连杆简化模型的基础上对下肢外骨骼机器人进行了运动学分析,建立了基于支撑相的外骨骼步行下肢动力学模型。为了准确计算关节运动所需的驱动力矩,考虑外骨骼机械关节的非刚体效应,分析粘性摩擦与库伦摩擦的影响,对刚体动力学模型进行了修正。同时应用ADAMS软件进行了运动学与动力学仿真,并通过实验得到了相关的粘性摩擦与库仑摩擦系数。 2.根据机器人对传感器的一般性能要求,对用于获取人体下肢运动力学信息的多维力传感器进行了静、动态标定,得到了相应的性能参数,搭建了基于PCI总线的可穿戴助力机器人信息检测平台。 3.在实验室原有平台的基础上,改进了原型试验系统,在速度-力控制策略中增加针对角度位置变化的可调参数,根据负载大小设置不同的阈值,在不同范围内调整PID参数、加速度大小,以提高控制的柔顺性与操作者的穿戴舒适性。实验结果表明,系统助力效果得到了一定改善。 该项研究的最终目标是扩展人体下肢运动功能和活动,实现可穿戴下肢机器人的穿着舒适性和行走平稳性,减轻人体步行时的肌肉疲劳感。可穿戴型智能助力机器人系统的成功研制将在辅助医疗设备、单兵军事作战装备、重劳动工作、新型环保代步工具等方面发挥着重要作用,有着广泛的应用前景。