下肢外骨骼動態(tài)穩(wěn)定性分析與步態(tài)跟蹤控制研究.pdf

1、下肢外骨骼是一種被穿戴在人體下肢外用以增強人體力量、耐力的機電一體化系統(tǒng)，它實現(xiàn)了人與機器人的優(yōu)勢互補，在康復、軍事和運輸?shù)阮I域有著廣泛的應用前景。下肢外骨骼跟蹤人體進行雙足步行運動，運動靈活性高，但是動態(tài)穩(wěn)定性差;而由于感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)等的耗時造成下肢外骨骼跟蹤穿戴者步行出現(xiàn)了延時，導致兩者運動不協(xié)調(diào)，甚至發(fā)生傾倒。
　　本文針對上述問題進行了以下主要工作:
　　以人體下肢生理結(jié)構(gòu)和運動機理為依據(jù)，對下肢外骨骼

2、進行了結(jié)構(gòu)設計;采用拉格朗日方程對下肢外骨骼進行了動力學建模，并結(jié)合動力學模型計算結(jié)果完成了下肢外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)的設計。
　　為了研究下肢外骨骼動態(tài)穩(wěn)定性，針對零力矩點(ZMP)穩(wěn)定性判據(jù)的不足，提出了改進的ZMP動態(tài)穩(wěn)定性評估方法;采用ZMP穩(wěn)定性判據(jù)對下肢外骨骼冠狀面內(nèi)動態(tài)穩(wěn)定性進行研究，得到冠狀面內(nèi)保持動態(tài)穩(wěn)定的條件;采用改進的ZMP動態(tài)穩(wěn)定性評估方法研究了一些因素，包括步長、步行周期、跨高和下肢外骨骼上身質(zhì)心位置等對矢狀面內(nèi)

3、動態(tài)穩(wěn)定性的影響，得到提高下肢外骨骼矢狀面內(nèi)動態(tài)穩(wěn)定性的方法。
　　針對下肢外骨骼跟蹤人體運動的延時問題，采用下肢外骨骼跟蹤預測的人體步態(tài)進行運動的方法來解決。研究了多種人體步態(tài)預測方法并比較其預測效果，如基于人體步態(tài)特性分析的步態(tài)預測方法、基于卡爾曼濾波的步態(tài)預測方法、基于牛頓預測器的步態(tài)預測方法和基于改進的牛頓預測器的步態(tài)預測方法等，選擇基于改進的牛頓預測器的步態(tài)預測方法作為人體步態(tài)預測方法;針對震動造成的預測誤差激增的問題，