下肢外骨骼机器人电液伺服控制系统研究

发布时间：2019-04-08 15:47

【摘要】：下肢外骨骼机器人是一种助力型可穿戴智能设备,能够为人体提供承重、防护以及助力等功能。除此之外,还能通过规划步态,辅助下肢瘫痪、残疾患者完成适当的康复训练。鉴于下肢外骨骼其技术的复杂性,样机处于试验测试阶段,还没有形成商品化产品。本文针对下肢外骨骼电液伺服系统位置跟随控制开展研究。由于下肢外骨骼电液伺服系统具有多变量、非线性以及复杂的数学模型和外在干扰量,增加了控制难度。常规的PID控制方法,需要确切的数学模型,而对下肢外骨骼建模分析时,或多或少做了一些简化,其实际状况与模型存在一定差异。模糊PID算法虽然优化了 PID算法,但在优化过程中,模糊化处理降低了控制系统的精度;滑模模糊PID控制有望克服其存在的不足。本文在安徽省科技攻关项目"可穿戴型下肢外骨骼助力机器人"(项目编号:1604a0902125)资助下,综合研究下肢外骨骼的机械结构、动力学建模、运动模型、液压驱动系统功能、电液伺服系统性能,分别采用PID和模糊PID控制方式和滑模控制算法,研究液压伺服系统的动态性能,确保下肢外骨骼的运动状态与穿戴者的步态轨迹一致。主要内容包括:1、在人体正常行走时,研究人体下肢各关节的结构、运动形式以及角度活动范围,设计下肢外骨骼的机械结构。根据设计的机械结构,建立下肢外骨骼动力学和运动学模型,得到关节转角和转矩之间的数学关系。2、针对下肢外骨骼机器人响应速度快,质量轻等特点,本文采用液压系统驱动下肢外骨骼,根据外骨骼的机械结构,完成液压系统的设计以及各液压元件的选型。推导出电液伺服系统传递函数,分析电液伺服系统输出位置量与下肢外骨骼机械结构之间的几何关系。3、根据外骨骼电液伺服系统的数学模型,以各关节转角为输入信号,研究下肢外骨骼跟随人体步态轨迹效果,综合利用PID算法、模糊PID算法、滑模模糊PID算法,分别在Simulink软件中建立控制系统模型,进行仿真,验证控制方法的合理性,并通过分析仿真结果,选择滑模模糊PID算法控制下肢外骨骼。本文主要创新之处是在PID算法以及模糊控制基础上,结合滑模控制,设计出滑模模糊PID控制器,并与常规PID算法、模糊PID算法控制效果对比,有效地提高了下肢外骨骼位置控制精度,为下肢外骨骼继续深入研究提供参考。
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【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：2454706