發(fā)布時(shí)間：2018-03-03 19:32

  本文選題：液壓增力外骨骼　切入點(diǎn)：人機(jī)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(yùn)輸常常不能通過(guò)汽車等輪式裝置實(shí)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(yùn)輸方式。盡管很多足式機(jī)器人已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái),但技術(shù)的限制使得能適應(yīng)多種地形的全自主足式機(jī)器人在短期內(nèi)仍然難以實(shí)現(xiàn)。作為一種典型的可穿戴的人機(jī)一體化裝置,下肢增力外骨骼通過(guò)將人引入到機(jī)器人控制中,可以極大簡(jiǎn)化機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)。相比于全自主足式機(jī)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(dāng)外骨骼能精確跟蹤人的運(yùn)動(dòng)時(shí),整個(gè)重物通過(guò)外骨骼傳遞到地面,人幾乎感覺(jué)不到負(fù)重的存在,進(jìn)而可以靈活的完成各種動(dòng)作。因此,下肢增力外骨骼的核心技術(shù)是高性能的人機(jī)同步控制算法的設(shè)計(jì)。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(jì)帶來(lái)巨大困難。本論文以下肢液壓增力外骨骼為研究對(duì)象,以實(shí)現(xiàn)高精度人機(jī)同步控制為研究目標(biāo),采用理論分析,仿真與試驗(yàn)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(jī)同步控制方法。首先針對(duì)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(jí)聯(lián)力控制方法,解決了系統(tǒng)魯棒性能差的難題,實(shí)現(xiàn)了對(duì)人運(yùn)動(dòng)意圖的有效推斷及外骨骼對(duì)人運(yùn)動(dòng)的快速響應(yīng)和跟蹤。同時(shí)為了克服級(jí)聯(lián)力控制的頻寬限制,又提出了基于整體動(dòng)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(jìn)一步提升了外骨骼的響應(yīng)速度。其次針對(duì)外骨骼中的多自由度耦合問(wèn)題,提出了基于加速度觀測(cè)器的多關(guān)節(jié)單腿外骨骼自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制方法。通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)節(jié)速度和加速度的有效估計(jì),之后基于估計(jì)出的關(guān)節(jié)速度和加速度設(shè)計(jì)底層多變量自適應(yīng)魯棒運(yùn)動(dòng)跟蹤控制器。結(jié)合上層人體運(yùn)動(dòng)意圖推斷控制器,最終實(shí)現(xiàn)單腿外骨骼對(duì)人運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確跟蹤。最后針對(duì)下肢外骨骼行走過(guò)程中的多步態(tài)及閉鏈動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,以漂浮的下肢外骨骼為建模對(duì)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(dòng)力學(xué)模型。之后針對(duì)單腿支撐和雙腿支撐兩種步態(tài),分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器。最終在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)了外骨骼負(fù)重20Kg時(shí)對(duì)人行走的準(zhǔn)確跟蹤。本論文共分為六章,現(xiàn)分別簡(jiǎn)述如下:第一章,介紹了增力外骨骼的研究背景,歸納出實(shí)現(xiàn)下肢液壓增力外骨骼高精度人機(jī)同步控制存在的三大難題;探討了國(guó)內(nèi)外在增力外骨骼系統(tǒng)組成,人機(jī)同步控制方法及機(jī)械臂先進(jìn)運(yùn)動(dòng)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?jī)?nèi)容。第二章,簡(jiǎn)述了論文研究所使用的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及其硬件性能參數(shù);建立了下肢液壓增力外骨骼的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型;通過(guò)建立外骨骼機(jī)械本體動(dòng)力學(xué)模型,液壓驅(qū)動(dòng)器動(dòng)力學(xué)模型,人機(jī)接口動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型;最后對(duì)下肢液壓增力外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)辨識(shí)和參數(shù)計(jì)算,獲得動(dòng)力學(xué)中的主要參數(shù)。第三章,針對(duì)單關(guān)節(jié)外骨骼系統(tǒng),設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒力控制器,重點(diǎn)解決外骨骼控制中存在的魯棒性能差的問(wèn)題。設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器,將控制器分為上下層結(jié)構(gòu),上層通過(guò)設(shè)計(jì)力控制器以減小人機(jī)作用力的積分進(jìn)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(yùn)動(dòng)意圖)。底層設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器以實(shí)現(xiàn)對(duì)人運(yùn)動(dòng)意圖的準(zhǔn)確跟蹤。在上下層控制器中,通過(guò)采用自適應(yīng)魯棒控制算法,克服了系統(tǒng)的強(qiáng)非線性及各種模型不確定性的影響。通過(guò)對(duì)比仿真及實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提出的控制算法能實(shí)現(xiàn)更小的人機(jī)作用力以及好的魯棒性能;為了克服級(jí)聯(lián)力控制的頻寬限制,又提出了基于整體動(dòng)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(duì)比仿真驗(yàn)證了所提出的反演力控制能實(shí)現(xiàn)更快更高精度的系統(tǒng)響應(yīng)。第四章,針對(duì)多關(guān)節(jié)單腿外骨骼系統(tǒng),設(shè)計(jì)多變量自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器,重點(diǎn)解決外骨骼中的多自由度耦合問(wèn)題。設(shè)計(jì)多變量上層力控制器有效推斷出人的運(yùn)動(dòng)意圖;設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒觀測(cè)器解決關(guān)節(jié)加速度不可測(cè)的難題;基于估計(jì)出的關(guān)節(jié)速度和加速度,設(shè)計(jì)底層多變量自適應(yīng)魯棒運(yùn)動(dòng)跟蹤控制器;從理論上分析了控制器及觀測(cè)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響;對(duì)比仿真驗(yàn)證了所提出的多變量自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器能實(shí)現(xiàn)比獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制更高的控制精度。第五章,針對(duì)整個(gè)下肢外骨骼系統(tǒng),設(shè)計(jì)多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器,重點(diǎn)解決行走過(guò)程中的多步態(tài)控制問(wèn)題。基于第二章建立的外骨骼多步態(tài)動(dòng)力學(xué)模型,設(shè)計(jì)單腿支撐和雙腿支撐情況下的自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制器;對(duì)比仿真驗(yàn)證了所提出的多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制能實(shí)現(xiàn)比獨(dú)立關(guān)節(jié)PID控制更高的控制精度。最終在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)外骨骼負(fù)重20Kg時(shí)對(duì)人行走的準(zhǔn)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(diǎn),并對(duì)下肢液壓增力外骨骼人機(jī)同步控制的研究進(jìn)行了展望。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

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