基于滑模变结构的五自由度上肢外骨骼轨迹跟踪控制
发布时间：2021-10-21 02:41
外骨骼可以提升人们的肢体力量,帮助穿戴者更轻松地完成需要耗费大量体力的工作,还可以为肢体残障者提供有效的康复训练,具有巨大的军事、工农业和医疗价值,已成为世界各国研究的热点。外骨骼动力学系统具有高度非线性、强耦合、不确定等特点,而且对穿戴过程中的安全性和舒适性具有很高的要求,这使得控制系统的设计变得十分复杂。论文针对外骨骼机器人系统非线性特性、不确定性、外界干扰、状态不可测条件下的轨迹跟踪控制问题展开研究,主要内容如下:首先,将外骨骼看作串联刚体,基于拉格朗日方法,建立由肩关节、肘关节和腕关节组成的五自由度上肢外骨骼机器人系统的动力学模型,给出详细的系统模型参数。分析模型各个部分的构成、特点以及对系统的影响,并分析外骨骼系统的非线性、强耦合、不确定性、易受干扰影响等特性。其次,针对五自由度上肢外骨骼机器人系统模型中的非线性不确定性,将RBF神经网络估计和滑模控制方法相结合设计鲁棒控制器。针对滑模方法处理不确定性易导致控制量严重抖振的不足,采用神经网络估计系统未知非线性函数,将估计值补偿到控制器,减小滑模控制增益,降低抖振。利用自适应方法在线调整RBF神经网络权值,自适应率由李雅普诺夫方...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Hardiman外骨骼
河北工业大学硕士学位论文-3-二十世纪的后二十余年间，仿生学、新型传感器、计算机技术、控制理论等不断发展，外骨骼机器人的研究也有了突飞猛进的发展。2004年初，美国伯克利大学推出一款新型的助力外骨骼系统——BLEEX。BLEEX外骨骼重约50kg，它的传感器系统包括一对加速度计（测量角加速度）、一个测斜仪（测量相对于重力矢量的方向）。为了减少传感系统的复杂度，设计者在BLEEX上应用了灵敏度放大控制算法。在执行器方面，采用六个双作用液压缸来驱动BLEEX的踝关节、膝关节和髋关节在矢状面上的运动。独立电源的携带和使用使BLEEX成为世界上第一个自主供电的外骨骼系统。作为最著名的外骨骼之一，BLEEX的设计初衷是为了帮助士兵的负重行走。穿戴者可以背负重物完成下蹲、腿部弯曲、左右摆动、躯干扭曲、走上斜坡和穿越障碍物等动作，在跑步机上以1.3米/秒的速度前进[8]。图1.1Hardiman外骨骼图1.2BLEEX助力外骨骼机器人2008年，在美国国防部高级研究计划署资助下，Raytheon公司耗费7年时间研制出X0S-I，并于2010年推出其改进版本X0S-II[9]，如图1.3。XOS-II是一种全身式异构型外骨骼，其控制理念是根据安装在肢体上的多种传感器检测出的运动信息来判断穿戴者的下一步动作，然后采用高压液压驱动器驱动外骨骼输出相应的助力与速度，做出与人体同步的运动，为人体提供助力。XOS-II穿戴者只需使用举起大约9kg物体的力就能轻而易举地举起90.7kg的重物，并能单手击穿76mm厚的木板。但目前XOS-II仍存在重大缺陷，样机采用高压液压系统驱动使其驱动系统外置，需要拖着一根油管才能保证其正常工作，这就严重制约了XOSII实用化的发展。
基于滑模变结构的五自由度上肢外骨骼轨迹跟踪控制-4-图1.3BLEEX外骨骼机器人作为可穿戴在人身上的动力辅助或康复辅助装置，外骨骼应该具有重量较轻、符合人体工程学设计、容易穿戴、能有效补偿自身重力等特点。日本筑波大学YoshikuyiSankai团队研发的HAL(HybridAssistiveLimb)系列外骨骼机器人[10]是一套更具实际应用价值的外骨骼系统，其最新版本HAL-5[11]是一种各关节都由直流电机驱动的全身外骨骼，自重只有约23kg，可以连续工作近3个小时。HAL-5集成了表面肌电信号(EMG)传感器、陀螺仪、加速度计和足底压力传感器等多种类型的传感器，能够很好地检测穿戴者的运动趋势。它不但能够增强使用者的肢体力量，负载约70kg的重量，还能够帮助肢体残疾者或行动不便的人完成站立、行走、上下台阶、托起重物等日常活动。图1.4HAL外骨骼机器人为了帮助丧失身体机能的老年人和肢体残疾人进行日常活动，韩国技术教育大学开发了一种7自由度外骨骼机器人系统[12]。人在日常生活中的许多活动主要靠肩部和
本文编号：3448081
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Hardiman外骨骼
河北工业大学硕士学位论文-3-二十世纪的后二十余年间，仿生学、新型传感器、计算机技术、控制理论等不断发展，外骨骼机器人的研究也有了突飞猛进的发展。2004年初，美国伯克利大学推出一款新型的助力外骨骼系统——BLEEX。BLEEX外骨骼重约50kg，它的传感器系统包括一对加速度计（测量角加速度）、一个测斜仪（测量相对于重力矢量的方向）。为了减少传感系统的复杂度，设计者在BLEEX上应用了灵敏度放大控制算法。在执行器方面，采用六个双作用液压缸来驱动BLEEX的踝关节、膝关节和髋关节在矢状面上的运动。独立电源的携带和使用使BLEEX成为世界上第一个自主供电的外骨骼系统。作为最著名的外骨骼之一，BLEEX的设计初衷是为了帮助士兵的负重行走。穿戴者可以背负重物完成下蹲、腿部弯曲、左右摆动、躯干扭曲、走上斜坡和穿越障碍物等动作，在跑步机上以1.3米/秒的速度前进[8]。图1.1Hardiman外骨骼图1.2BLEEX助力外骨骼机器人2008年，在美国国防部高级研究计划署资助下，Raytheon公司耗费7年时间研制出X0S-I，并于2010年推出其改进版本X0S-II[9]，如图1.3。XOS-II是一种全身式异构型外骨骼，其控制理念是根据安装在肢体上的多种传感器检测出的运动信息来判断穿戴者的下一步动作，然后采用高压液压驱动器驱动外骨骼输出相应的助力与速度，做出与人体同步的运动，为人体提供助力。XOS-II穿戴者只需使用举起大约9kg物体的力就能轻而易举地举起90.7kg的重物，并能单手击穿76mm厚的木板。但目前XOS-II仍存在重大缺陷，样机采用高压液压系统驱动使其驱动系统外置，需要拖着一根油管才能保证其正常工作，这就严重制约了XOSII实用化的发展。
基于滑模变结构的五自由度上肢外骨骼轨迹跟踪控制-4-图1.3BLEEX外骨骼机器人作为可穿戴在人身上的动力辅助或康复辅助装置，外骨骼应该具有重量较轻、符合人体工程学设计、容易穿戴、能有效补偿自身重力等特点。日本筑波大学YoshikuyiSankai团队研发的HAL(HybridAssistiveLimb)系列外骨骼机器人[10]是一套更具实际应用价值的外骨骼系统，其最新版本HAL-5[11]是一种各关节都由直流电机驱动的全身外骨骼，自重只有约23kg，可以连续工作近3个小时。HAL-5集成了表面肌电信号(EMG)传感器、陀螺仪、加速度计和足底压力传感器等多种类型的传感器，能够很好地检测穿戴者的运动趋势。它不但能够增强使用者的肢体力量，负载约70kg的重量，还能够帮助肢体残疾者或行动不便的人完成站立、行走、上下台阶、托起重物等日常活动。图1.4HAL外骨骼机器人为了帮助丧失身体机能的老年人和肢体残疾人进行日常活动，韩国技术教育大学开发了一种7自由度外骨骼机器人系统[12]。人在日常生活中的许多活动主要靠肩部和
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