基于假想柔顺控制的膝关节助力机器人动力学分析及其运动控制

基于假想柔顺控制的膝关节助力机器人动力学分析及其运动控制

摘 要
近年来随着全球范围内人口老年化趋势日益加剧，可穿戴型助力机器人已经成为重点的研究领域之一，膝关节助力机器人作为可穿戴型助力机器人的重要组成部分，科学家对其技术的开发和研究已经取得巨大的进步。膝关节助力机器人将环境感知和多传感器信息融合和运动控制等多种功能集于一身，是典型的人机一体化系统。当人穿上膝关节助力机器人时，机器人在人的智力指导下为人的行走提供助力从而扩展了人的运动能力和活动范围。
在国家自然科学基金“可穿戴型智能助力机器人技术研究”的资助下，本文采用假想柔顺控制策略和PID控制算法，实现了膝关节助力机器人为人提供助力的目的。具体内容包括：
1．通过分析人腿的运动特点，考虑到人腿和外骨骼机器人是捆绑在一起的，因此可以将人腿的质量转移到机器人的连杆之上，又根据左右两条腿的对称性，只需要为人机系统的左腿或者右腿建立一个二连杆动力学模型，得到其动力学方程，并且利用ADAMS软件对其进行仿真分析，为机械设计优化提供了参考，同时也为系统的运动控制算法提供了仿真实验依据。
2．要使人的运动与膝关节助力机器人的运动协调一致，采用多传感器数据融合的方法来判断人的运动意图和人腿的运动状态，采用假想柔顺控制策略由作用力求出膝关节的转动方向和转速，采用增量式PID算法对直流电机进行精确的控制，从而实现为人的步行提供助力的目的。
3．客观上要求对膝关节助力机器人的助力效果作出评估，以便于从机械设计和控制算法两个方面对机器人进行整体优化。利用表面肌电信号（sEMG）对膝关节机器人的助力效果进行评估，结果表明了假想柔顺控制策略和PID控制算法的有效性。

关键词：膝关节机器人 假想柔顺控制 动力学分析 PID控制 表面肌电信号