外骨骼机器人关节驱动及优化研究

随着工业4.0时代的到来,我国正加速向工业4.0迈进。以智能制造为主导,将工业机器人和传统制造业有机结合,充分利用先进技术实现产品质量、安全和生产效率的提高。外骨骼机器人作为一种特殊机械设备,是为改善下肢功能障碍人士及行动不便人士而设计的。外骨骼机器人能在特定的环境下帮助运动机能障碍人士进行训练和生活自理功能重建,并且其机械关节驱动系统能够对关节进行运动控制。在外骨骼机器人设计过程中,采用动态驱动、伺服驱动器、自适应可调节关节及柔性传动装置。通过建立某医院辅助服务外骨骼机器人的动力学模型和电机驱动参数库,提出一种优化外骨骼机器人驱动系统的方法。     

下肢康复外骨骼人机耦合动力学建模与控制

在行走过程中,患者与外骨骼之间的交互力,决定了患者使用外骨骼的安全性、舒适度以及外骨骼的性能,因而在康复外骨骼的相关研究中受到广泛的关注.本文以可穿戴式的下肢康复外骨骼为研究对象,考虑了患者和外骨骼的耦合作用,给出了人机交互力模型,同时考虑了足底-地面接触力的影响,从而基于第一类拉格朗日方程建立了人机耦合的动力学模型....     

面向人机交互的下肢外骨骼导纳控制策略

针对下肢外骨骼运动中的人机共融问题,提出了由导纳控制外环和位置控制内环组成的双环控制策略。外环采用导纳控制策略,并设计了基于Sigmoid函数的变导纳模型,将人体主动力矩转化为关节角度以修正期望轨迹,使人的意图得到表达。内环采用基于径向基函数(RBF)神经网络的位置控制器,利用RBF神经网络能逼近任意非线性函数的特性,消除建模所带来的误差和干扰;采用改进的莱文贝格-马夸特(L-M)算法,提高RBF神经网络的紧凑性和收敛性,并设置合理的参数初始值,提高收敛速度。搭建MATLAB仿真平台,仿真结果表明,所设计的控制策略使下肢外骨骼的人机交互效果良好,对人体有良好的助行效果。     

基于SMA驱动模块的腕部柔性外骨骼设计

针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动模块的腕部柔性外骨骼.首先,研究SMA弹簧的最大可回复拉伸长度与相变温度特性,建立SMA驱动模块的SMA弹簧与锰钢片的混合模型.然后,根据人体腕关节运动范围和所需拉力,对该混合模型进行参数优化.最后,提出了一种弹性元件势能、风冷和高低电流切换混合的SMA弹簧冷却方法,设计了基于运动角度和相变温度反馈的控制方法.为了验证腕部柔性外骨骼的实际使用效果,进行穿戴训练和测温实验.实验结果表明,该外骨骼的仿生性和柔顺性符合人体腕关节运动特性,其轻质、便携性可提高日常生活活动辅助效果.     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪研究

气动肌肉下肢外骨骼机器人是当下的热门研究话题,对外骨骼理想轨迹进行精确跟踪是研究重点。但是气动肌肉下肢外骨骼运动系统结构复杂,有着很强的非线性,传统的控制方法不适用于这类系统。文章以气动肌肉下肢外骨骼机器人为研究对象,首先对气动肌肉和下肢外骨骼进行了动力学分析;然后采用基于趋近律的滑模控制器来对这一复杂的系统进行控制;最后利用Simulink对气动肌肉下肢外骨骼机器人运动控制仿真。结果表明,基于趋近律的滑模控制器对气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪有很好的控制效果。     

基于数据驱动的气动柔性关节Takagi–Sugeno模糊系统建模与预测控制

针对气动柔性关节动态特性复杂、难以实现高精度控制的问题,提出一种基于Takagi–Sugeno (T–S)模糊系统的预测控制方法.首先,应用MBGD–RDA算法对T–S模糊系统进行离线训练,该算法结合了机器学习中的小批量梯度下降算法、正则化、Droprule和AdaBound算法.其次,基于模糊集相似性度量方法,对训练得到的T–S模糊系统的模糊集进行剪枝,对模糊规则进行合并,简化T–S模糊系统结构.最后,设计了基于T–S模糊系统的单层神经网络预测控制器. T–S模糊系统参数和预测控制器参数均能实现在线更新,且基于李雅普诺夫理论的稳定性分析保证了系统的稳定性.仿真结果验证了基于数据驱动的T–S模糊系统的高精度预测性能,且结构简化后的T–S模糊系统在规则数减少的情况下仍能维持较高的预测精度.实际实验中,所提控制方法最大跟踪误差小于3°,而传统的模糊逻辑控制器最大跟踪误差大于5°,这表明所提控制算法显著提升了对柔性关节的跟踪控制精度.     

轻量型柔性下肢助力外骨骼的设计及性能实验

针对传统的外骨骼机器人存在的刚性结构、自重大、柔顺性差、穿戴舒适性差等问题,设计了一种轻量型柔性下肢助力外骨骼.该外骨骼通过鲍登绳装置和弹簧装置实现对踝关节的柔性助力,利用驱动系统的"单轮双槽"绕线盘实现单个电机对双腿的驱动,其稳定性通过有限元分析得以验证.在外骨骼的控制策略上,本文在电机系统的传统三环PID(比例-积分-微分)反馈控制的基础上,提出了基于电机转角和转速的PID控制策略和基于踝关节力矩的PID控制策略,通过Simulink和Simscape工具仿真验证了控制策略的可行性.最后,搭建了一台外骨骼样机并进行了性能实验,样机质量仅为3.095 kg,在本文设置的实验条件下,穿戴该外骨骼行走时人体代谢降低了15％,验证了该外骨骼设计的合理性,也表明该外骨骼相比传统外骨骼具有更好的助力效果.     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼上楼梯滑模控制

针对下肢外骨骼在轨迹跟踪时对内部参数扰动和外界干扰较为敏感的特性,设计一种基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼机器人滑模控制策略。首先建立下肢外骨骼上楼梯的动力学模型,分析其动力学特性;其次设计非线性干扰观测器,对下肢系统的不确定性和外部干扰进行观测;在此基础上,为保证系统轨迹跟踪误差的收敛性和减弱抖振,设计了低通滤波的滑模控制器,根据李雅普诺夫稳定性理论证明了下肢系统的稳定性;最后通过仿真与实验验证,该控制策略能够有效克服多种因素引起的干扰,改善系统的控制性能,提高系统的稳定性。     

基于BP神经网络补偿的下肢外骨骼位置控制

坐卧式康复外骨骼机器人可以帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,为实现康复训练的位置控制目标,通过深入分析人机耦合关系,建立包括穿戴者、外骨骼在内的耦合运动学/动力学模型,提出了基于人机混合系统动力学模型的带前馈补偿项的PD控制算法,然而为了实现良好的运动轨迹跟踪性能,必须在位置控制算法中加入对不确定项的补偿,因此提出一种基于BP神经网络补偿的位置控制算法并通过仿真验证算法的高效性。     

基于模糊补偿的康复机器人的自适应滑模控制研究

针对下肢外骨骼机器人不确定模型及摩擦因素的轨迹运动控制问题,提出了一种基于模糊补偿的自适应滑模控制(FCASMC)方法。首先利用滑模控制思想设计非线性滑模面,设计滑模控制器实现系统的稳定性;接着采用模糊控制方法对其机器人中关节运动存在的未知摩擦项进行模糊补偿与逼近,减少未知摩擦项和外扰动等因素下对系统带来的稳定性影响;最后还采用了鲁棒项来消除补偿逼近误差所带来的影响,也可减少滑模方法所带来的抖振问题,从而使整个系统的稳定性进一步提高。最后,基于Lyapunov定理对所设计的控制器进行稳定性证明和仿真。仿真结果表明,设计的控制器可以很好地对不确定摩擦项进行补偿,机器人的关节运动轨迹跟踪能实现全局跟踪,提高了在今后实际工程中的应用研究价值。     

基于事件检测的下肢康复外骨骼服的设计

下肢康复外骨骼能辅助或替代医师完成下肢康复训练,并能帮助患者自立,重新融入社会。设计了一种基于事件检测的下肢康复外骨骼服,所谓事件是指人机接口获得的一些状态序列。基于事件的运动意图检测主要有两个目的:第一,以透明的方式检测穿戴者的运动意图;第二,提高运动意图检测的准确性和容错性。提出的下肢康复外骨骼服包括仿生机械结构、人机接口、控制器、电机驱动子系统和电源子系统。仿生机械结构用于支持骨骼服的重量以及穿用者的身体。电机驱动子系统采用盘式电机带动骨骼服的膝关节和髋关节。人机接口子系统通过传感器和传输网络,运用基于事件的运动意图检测技术感知患者的运动状态和运动意图。控制器采用位置闭环控制。仿真结果表明了系统的可行性和实用效果。     

下肢外骨骼机器人动态建模与步态跟踪LQR控制

针对下肢外骨骼机器人步态轨迹与参考轨迹存在较大跟踪误差的问题,提出一种线性二次型调节器(LQR)控制方法来取代常规PD控制.根据牛顿-欧拉方程和系统参数辨识,建立人机一体化的下肢外骨骼机器人系统的动态模型,并进行LQR控制参数设计和稳定性分析.仿真和实验结果表明,基于LQR控制的下肢外骨骼机器人能很好地跟踪步态参考轨迹...     

下肢负重外骨骼机器人的初步设计

研究设计了一种能够增强人体负重的下肢外骨骼机器人,该负重外骨骼机器人具有8个自由度,可实现髋关节的外展与内收、屈/伸运动;膝关节的屈/伸运动以及踝关节的弯曲运动;根据人体步态分析研究出各个关节的运动角度范围,结合目标负重进行结构优化设计;对机器人的结构进行简化,建立了外骨骼机器人的连杆模型,根据其几何关系,采用D-H准则对外骨骼机器人进行了数学建模;以计算机、六轴运动控制卡和STM32为核心构建了控制系统,结合ZMP (zero moment point)零力矩点稳定性判据及三次样条插值进行了步态规划,并将此步态规划应用于样机上;样机实验结果表明,此结构能够满足不同体型的人进行穿戴,并能够根据规划的步态轻松行走,验证了其结构和控制系统的合理性.     

下肢康复外骨骼机器人模糊PID控制研究与仿真

下肢康复外骨骼机器人具有多输入多输出的结构,且不确定性与非线性都很高,经典PID控制已经不能很好地进行精确控制。结合经典PID控制与模糊控制,并加入了开关结构,最终采用开关式模糊PID控制来对机器人进行控制研究。使用ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems）建立机器人模型,在Matlab/Simulink中建立控制图。驱动输入采用正常人体步态行走时的力矩信息,通过两个软件的联合仿真,得到跟随曲线与目标曲线的对比图及误差图。结果表明,开关式模糊PID控制具有良好的精度且响应速度较快。     

面向人机交互的下肢外骨骼自适应轨迹跟踪

在可穿戴下肢外骨骼助力系统的轨迹跟踪控制研究中,针对系统存在人机交互力耦合,建立了人机耦合高阶动力学模型,提出了一种单自由度下肢外骨骼系统的人机协同控制策略.考虑系统存在的模型误差和外界干扰,采用了干扰观测器对系统总扰动进行动态观测和实时补偿;针对模型参数因人而异且难以准确获取的问题,设计了自适应反步滑模控制器;根据L...     

基于支持向量机的外骨骼机器人灵敏度放大控制

为了准确控制外骨骼机器人跟随人体运动,需要建立其动态、精确的数学模型;人体下肢外骨骼是一个多自由度、强耦合以及非线性的多连杆系统,难以建立准确的运动学和动力学模型;文章使用三维运动捕捉与空间定位系统,获取实际人体运动参数(运动学与动力学),应用支持向量机(SVM)学习人体下肢外骨骼的数学模型;基于该模型构造基于支持向量机模型的灵敏度放大控制方法;文章使用MATLAB和LIBSVM建立外骨骼下肢机器人的数学模型,并进行仿真分析;仿真结果表明基于SVM的模型学习方法,能够准确计算出人体下肢外骨骼的动力学模型,并简化建模过程;基于SVM的灵敏度放大控制,能够有效计算出人体下肢外骨骼各关节(髋关节、膝关节、踝关节)的输出力矩,并控制外骨骼机器人跟随人体运动。     

下肢助行外骨骼步态规划与仿真研究

针对目前大多数下肢助行外骨骼自身不能维持稳定行走与步态规划方法存在缺陷的现状，设计一种10自由度主动驱动下肢外骨骼；其步态规划基于静稳定性判据，采用重心投影法，利用构造函数规划重心及踝关节轨迹，进一步通过运动学计算获得完整步态周期内所有关节的运动轨迹；运用ADAMS构建人-外骨骼耦合运动虚拟样机模型，进行平地步行仿真，仿真得到关键点的空间轨迹与动力学参数，通过与规划的重心和踝关节轨迹对比，外骨骼能够实现预期运动并稳定行走，仿真结果表明所设计的步态规划方法合理有效。     

Model Identification and Human-robot Coupling Control of Lower Limb Exoskeleton with Biogeography-based Learning Particle Swarm Optimization

International Journal of Control, Automation and Systems - Lower limb exoskeleton is a typical wearable robot to assist human motion and improve physiological power. However, the control...