行走下肢液壓增力外骨骼自適應(yīng)魯棒力控制研究.pdf

1、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(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將人引入到機(jī)器人控制中，可以極大簡化機(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

2、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)動時，整個重物通過外骨骼傳遞到地面，人幾乎感覺不到負(fù)重的存在，進(jìn)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(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)帶來巨大困難。
　　本論文以下肢液壓增力外骨骼為研究對象，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

3、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(shí)現(xiàn)了對人運(yùn)動意圖的有效推斷及外骨骼對人運(yùn)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(jìn)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)

4、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(jì)自適應(yīng)魯棒觀測器實(shí)現(xiàn)對關(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)動跟蹤控制器。結(jié)合上層人體運(yùn)動意圖推斷控制器，最終實(shí)現(xiàn)單腿外骨骼對人運(yùn)動的準(zhǔn)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

5、態(tài)，分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的自適應(yīng)魯棒級聯(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時對人行走的準(zhǔn)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(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(shí)驗(yàn)平

6、臺及其硬件性能參數(shù);建立了下肢液壓增力外骨骼的運(yùn)動學(xué)模型;通過建立外骨骼機(jī)械本體動力學(xué)模型，液壓驅(qū)動器動力學(xué)模型，人機(jī)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(jìn)行系統(tǒng)辨識和參數(shù)計(jì)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(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題。設(shè)計(jì)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(jì)力

7、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)動意圖）。底層設(shè)計(jì)軌跡跟蹤控制器以實(shí)現(xiàn)對人運(yùn)動意圖的準(zhǔn)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(qiáng)非線性及各種模型不確定性的影響。通過對比仿真及實(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(yàn)證了所提出的反演

8、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)魯棒級聯(lián)力控制器，重點(diǎn)解決外骨骼中的多自由度耦合問題。設(shè)計(jì)多變量上層力控制器有效推斷出人的運(yùn)動意圖;設(shè)計(jì)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(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(yàn)證了所提出的多變量自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器能實(shí)現(xiàn)比獨(dú)立關(guān)節(jié)PI

9、D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(jì)多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級聯(lián)力控制器，重點(diǎn)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(jì)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(yàn)證了所提出的多步態(tài)自適應(yīng)魯棒級聯(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時對人行走的準(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