外骨骼電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

1、醫(yī)療外骨骼機(jī)器人是一款用于輔助下肢截癱患者恢復(fù)行走能力的康復(fù)機(jī)器人，多采用無刷伺服電機(jī)為其動(dòng)力源。由于外購電機(jī)驅(qū)動(dòng)存在擴(kuò)展性不強(qiáng)、通信復(fù)雜、
　　價(jià)格昂貴、可控程度低等問題，本文圍繞驅(qū)動(dòng)在外骨骼控制中所需求的控制模式，開發(fā)了一套外骨骼專用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。主要的研究?jī)?nèi)容如下：
　　實(shí)現(xiàn)了基于矢量控制方法的外骨骼無刷電機(jī)伺服控制方案。分析了矢量控制基本原理，簡(jiǎn)化了無刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，研究了數(shù)字化空間電壓矢量調(diào)制的實(shí)現(xiàn)方法。綜合伺

2、服驅(qū)動(dòng)的位置三環(huán)閉環(huán)控制原理，在 Simulink中搭建了伺服控制仿真模型，為關(guān)鍵問題的研究以及實(shí)際物理平臺(tái)的搭建提供理論基礎(chǔ)。
　　針對(duì)外骨骼系統(tǒng)中采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)提出了解決方案。在電流控制中，通過減小空間矢量調(diào)制（SVPWM）周期，解決了由于電機(jī)繞組電感過小產(chǎn)生的相電流波動(dòng)問題；在速度控制中，引入了基于M法的鎖相環(huán)速度估算方法，提高了低速下的穩(wěn)定性；在位置跟隨中，對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)（PTP）梯形位置插值的問題，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易的 P

3、TP決策方法使得每個(gè)點(diǎn)到點(diǎn)的位置插值可被重新規(guī)劃，對(duì)多點(diǎn)插值問題，實(shí)現(xiàn)了基于Hermite三次多段的位置、速度、時(shí)間（PVT）插值方法，解決了多點(diǎn)插值的軌跡跟隨問題；在外骨骼的啟動(dòng)定位中，提出了一種霍爾傳感器輔助定位的方法，解決了預(yù)定位啟動(dòng)控制失步問題。
　　搭建了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際物理平臺(tái)和軟件平臺(tái)。在硬件上，對(duì)功率驅(qū)動(dòng)電路、電流采樣電路、多級(jí)串聯(lián)BUCK降壓電路、過流過壓檢測(cè)電路進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)器斷電三相線短接電路，使

4、得斷電以后的電機(jī)進(jìn)入高阻尼狀態(tài)，提高了外骨骼使用的安全等級(jí)。在軟件上，對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的軟件框架進(jìn)行了解耦，實(shí)現(xiàn)了基于 SVPWM的矢量控制程序達(dá)到了勵(lì)磁電流和力矩電流的解耦控制。在通信上，設(shè)計(jì)了基于CAN通信的對(duì)象字典通信協(xié)議，使得外骨骼與節(jié)點(diǎn)的通信更加靈活。在重量、體積、定位精度、響應(yīng)速度上與外購驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成的節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行了測(cè)試比較，并在外骨骼的實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行帶載測(cè)試，表明了本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器方案完全可以替代外購點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)。并且由于驅(qū)動(dòng)針