本文關(guān)鍵詞：下肢外骨骼機器人的建模和控制策略研究

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【摘要】：現(xiàn)階段,我國面臨著老齡化加快、殘障人士數(shù)量增多以及單兵作戰(zhàn)能力欠缺等問題。在此情形下,外骨骼機器人應(yīng)運而生。外骨骼是一種具有仿生性能的設(shè)備,是人工智能與機器人的結(jié)合體,在康復(fù)醫(yī)療,軍事,農(nóng)業(yè),工業(yè)等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。為了幫助老年人及殘障人士恢復(fù)或者增強行走的能力,本文研究并設(shè)計了一種下肢外骨骼系統(tǒng),該系統(tǒng)單側(cè)包含有五個自由度,主要涉及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和控制系統(tǒng)設(shè)計,采用理論分析和仿真驗證相結(jié)合的方法展開研究。具體內(nèi)容如下:(1)下肢外骨骼現(xiàn)狀總結(jié)及機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析并總結(jié)了國內(nèi)外已有的外骨骼系統(tǒng),說明了已有系統(tǒng)的優(yōu)缺點,明確了研究內(nèi)容。學(xué)習(xí)了人體下肢的生理結(jié)構(gòu)以及行走步態(tài)參數(shù)并基于此,完成了下肢外骨骼的自由度配置、機械系統(tǒng)設(shè)計、驅(qū)動器選擇等,構(gòu)造了單側(cè)五自由度的下肢外骨骼系統(tǒng)并對相關(guān)的參數(shù)進行了設(shè)計。(2)下肢外骨骼運動學(xué)數(shù)學(xué)分析。采用Craig修正版的D-H約定規(guī)則分別建立了下肢外骨骼左/右腿的正運動學(xué)模型,并通過MATLAB/Robotics toolbox對其進行仿真驗證�；诩候炞C的正運動學(xué)模型,采用代數(shù)法建立下肢外骨骼逆運動學(xué)模型,通過MATLAB/Simulink進行仿真驗證。同時,利用蒙特卡洛法分析了下肢外骨骼的工作空間,從而進一步驗證了運動學(xué)模型。(3)下肢外骨骼動力學(xué)數(shù)學(xué)分析及虛擬樣機建立。在拉格朗日方程的基礎(chǔ)上,建立了下肢外骨骼的動力學(xué)數(shù)學(xué)模型�；跀�(shù)學(xué)模型非線性和高耦合的特點,采用面向?qū)嵨锬Ｐ偷娜S建模方法建立下肢外骨骼虛擬樣機。通過Solidworks建立下肢外骨骼三維模型并將其導(dǎo)入MATLAB/SimMechanics中建立虛擬樣機。最后,利用Robotics Toolbox搭建動力學(xué)數(shù)學(xué)模型并將其與虛擬樣機進行對比仿真,驗證了虛擬樣機的有效性。(4)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償?shù)臒o模型時延估計控制器設(shè)計。針對下肢外骨骼模型高耦合非線性的特性,借鑒基于代數(shù)方法的無模型控制,采用極局部模型作為系統(tǒng)模型,利用時延估計對未知項進行估計,構(gòu)造無模型時延估計控制器(TDE-MFC)。針對因時延估計產(chǎn)生的誤差,引入自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),構(gòu)造基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補償?shù)臒o模型時延估計控制器(TDE-MFNNC)并對其穩(wěn)定性進行了分析證明。(5)基于虛擬樣機的TDE-MFNNC仿真驗證。通過仿真對比選取了時延時間并基于此,對比在理想情況下及存在擾動情況下,PD,NN,TDE-MFC以及TDE-MFNNC控制器性能,驗證了 TDE-MFNNC對估計誤差的補償并得到了良好的跟蹤效果。同時,研究了基于TDE-MFNNC的特定末端軌跡運動仿真,得到了良好的控制效果并利用可視化仿真界面驗證了運動的準確性。
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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