本文選題：液壓增力外骨骼　切入點：人機同步控制　出處：《浙江大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：在很多未知非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中,如陡峭的山坡,階梯以及狹窄的通道,重物運輸常常不能通過汽車等輪式裝置實現(xiàn)。由于腿部結(jié)構(gòu)可以很好的適應(yīng)多種極端地形,步行成為了一種有效的重物運輸方式。盡管很多足式機器人已經(jīng)被開發(fā)出來,但技術(shù)的限制使得能適應(yīng)多種地形的全自主足式機器人在短期內(nèi)仍然難以實現(xiàn)。作為一種典型的可穿戴的人機一體化裝置,下肢增力外骨骼通過將人引入到機器人控制中,可以極大簡化機器人的控制器設(shè)計。相比于全自主足式機器人,下肢增力外骨骼避免了很多難以解決的技術(shù)限制,因而具有更大的應(yīng)用潛能。當外骨骼能精確跟蹤人的運動時,整個重物通過外骨骼傳遞到地面,人幾乎感覺不到負重的存在,進而可以靈活的完成各種動作。因此,下肢增力外骨骼的核心技術(shù)是高性能的人機同步控制算法的設(shè)計。然而系統(tǒng)固有的非線性,建模不確定性以及多自由度多步態(tài)特性均給控制算法設(shè)計帶來巨大困難。本論文以下肢液壓增力外骨骼為研究對象,以實現(xiàn)高精度人機同步控制為研究目標,采用理論分析,仿真與試驗研究相結(jié)合的方法,系統(tǒng)且逐層深入地研究了下肢液壓增力外骨骼高精度人機同步控制方法。首先針對增力外骨骼系統(tǒng)中的非線性,建模不確定性等難題,提出了單關(guān)節(jié)外骨骼自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制方法,解決了系統(tǒng)魯棒性能差的難題,實現(xiàn)了對人運動意圖的有效推斷及外骨骼對人運動的快速響應(yīng)和跟蹤。同時為了克服級聯(lián)力控制的頻寬限制,又提出了基于整體動力學(xué)模型的單關(guān)節(jié)外骨骼自適應(yīng)魯棒反演力控制方法,進一步提升了外骨骼的響應(yīng)速度。其次針對外骨骼中的多自由度耦合問題,提出了基于加速度觀測器的多關(guān)節(jié)單腿外骨骼自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制方法。通過設(shè)計自適應(yīng)魯棒觀測器實現(xiàn)對關(guān)節(jié)速度和加速度的有效估計,之后基于估計出的關(guān)節(jié)速度和加速度設(shè)計底層多變量自適應(yīng)魯棒運動跟蹤控制器。結(jié)合上層人體運動意圖推斷控制器,最終實現(xiàn)單腿外骨骼對人運動的準確跟蹤。最后針對下肢外骨骼行走過程中的多步態(tài)及閉鏈動力學(xué)問題,以漂浮的下肢外骨骼為建模對象,根據(jù)不同步態(tài)下腳部與地面之間的完整約束條件,建立了統(tǒng)一框架下的外骨骼多步態(tài)動力學(xué)模型。之后針對單腿支撐和雙腿支撐兩種步態(tài),分別設(shè)計了相應(yīng)的自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器。最終在實驗樣機上實現(xiàn)了外骨骼負重20Kg時對人行走的準確跟蹤。本論文共分為六章,現(xiàn)分別簡述如下:第一章,介紹了增力外骨骼的研究背景,歸納出實現(xiàn)下肢液壓增力外骨骼高精度人機同步控制存在的三大難題;探討了國內(nèi)外在增力外骨骼系統(tǒng)組成,人機同步控制方法及機械臂先進運動控制方法等方面的研究現(xiàn)狀;最后概述了本論文的研究意義及研究內(nèi)容。第二章,簡述了論文研究所使用的實驗平臺及其硬件性能參數(shù);建立了下肢液壓增力外骨骼的運動學(xué)模型;通過建立外骨骼機械本體動力學(xué)模型,液壓驅(qū)動器動力學(xué)模型,人機接口動力學(xué)模型,獲得了多步態(tài)下肢液壓增力外骨骼完整的非線性動力學(xué)模型;最后對下肢液壓增力外骨骼系統(tǒng)進行系統(tǒng)辨識和參數(shù)計算,獲得動力學(xué)中的主要參數(shù)。第三章,針對單關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng),設(shè)計自適應(yīng)魯棒力控制器,重點解決外骨骼控制中存在的魯棒性能差的問題。設(shè)計自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器,將控制器分為上下層結(jié)構(gòu),上層通過設(shè)計力控制器以減小人機作用力的積分進而生成關(guān)節(jié)需要跟蹤的理想軌跡(此軌跡也可以看作人的運動意圖)。底層設(shè)計軌跡跟蹤控制器以實現(xiàn)對人運動意圖的準確跟蹤。在上下層控制器中,通過采用自適應(yīng)魯棒控制算法,克服了系統(tǒng)的強非線性及各種模型不確定性的影響。通過對比仿真及實驗,驗證了所提出的控制算法能實現(xiàn)更小的人機作用力以及好的魯棒性能;為了克服級聯(lián)力控制的頻寬限制,又提出了基于整體動力學(xué)模型的單關(guān)節(jié)外骨骼自適應(yīng)魯棒反演力控制方法,對比仿真驗證了所提出的反演力控制能實現(xiàn)更快更高精度的系統(tǒng)響應(yīng)。第四章,針對多關(guān)節(jié)單腿外骨骼系統(tǒng),設(shè)計多變量自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器,重點解決外骨骼中的多自由度耦合問題。設(shè)計多變量上層力控制器有效推斷出人的運動意圖;設(shè)計自適應(yīng)魯棒觀測器解決關(guān)節(jié)加速度不可測的難題;基于估計出的關(guān)節(jié)速度和加速度,設(shè)計底層多變量自適應(yīng)魯棒運動跟蹤控制器;從理論上分析了控制器及觀測器參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響;對比仿真驗證了所提出的多變量自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器能實現(xiàn)比獨立關(guān)節(jié)PID控制更高的控制精度。第五章,針對整個下肢外骨骼系統(tǒng),設(shè)計多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器,重點解決行走過程中的多步態(tài)控制問題�；诘诙陆⒌耐夤趋蓝嗖綉B(tài)動力學(xué)模型,設(shè)計單腿支撐和雙腿支撐情況下的自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器;對比仿真驗證了所提出的多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制能實現(xiàn)比獨立關(guān)節(jié)PID控制更高的控制精度。最終在實驗樣機上實現(xiàn)外骨骼負重20Kg時對人行走的準確跟蹤。第六章,歸納總結(jié)了本論文的主要工作,闡述研究結(jié)論和創(chuàng)新點,并對下肢液壓增力外骨骼人機同步控制的研究進行了展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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本文編號：1562388