助力随动控制系统的设计与实现

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助力随动系统,是一种外穿型机械骨骼服,是以操作者为控制主体,以机械骨骼为运动和力量输出主体的新型系统。从结构角度来讲,外骨骼可以分为单纯上肢外骨骼、单纯下肢外骨骼和全身型外骨骼;从功能上,还可以分为助力随动外骨骼和康复医疗外骨骼。外骨骼技术成熟后将会被拓展到很多领域来便捷人类的生产、生活。此外,该系统作为一门各学科高度密集的综合技术,涉及微能源技术、微驱动技术、材料技术和控制技术等学科,备受世界各国的高度关注,是目前智能人机柔性系统的研究热点和难点项目。本文的重点是设计助力随动下肢外骨骼系统的控制方案,以及借助嵌入式平台实现控制算法。在方案研究的工作中,首先在分析了人体步态规律、液压柔性驱动装置模型、人机耦合模型的基础上,建立了整个骨骼服位置跟踪控制系统数学模型,建立了液压位置控制回路,并针对不同的动作模式设计不同的控制器参数,采用PID与超前校正网络相结合的方法进行频域设计。仿真结果表明,该控制方法能够对人正常行走时的膝关节角位移进行伺服,满足人机协调运动要求。其次,通过计算机处理部件实现控制算法,向执行机构输出控制指令,同时搭建了数据采集显示平台,实时采集样机运动时用于实验分析的重要数据。最后在样机完成后,进行了样机演示实验,当人操作样机时,对不同负载和不同运动模式下的液压系统总体工作性能进行了试验分析,如外骨骼动作误差分析等。试验结果表明,下肢外骨骼协行助力系统采用阀控液压控制策略能够满足负载60kg低速平地行走、上下楼梯等动作要求。
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