【摘 要】
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下肢康复外骨骼机器人是一种用于帮助下肢运动障碍患者恢复步行能力的康复医疗设备,在康复医疗领域具有广阔的应用前景。下肢康复外骨骼机器人具有强耦合复杂非线性的特点,机构与驱动系统均存在参数变化、外部扰动以及人机交互与耦合等突出因素影响,难以准确建模,控制难度大。本文基于计算力矩法,研究下肢康复外骨骼机器人运动控制问题,主要工作如下:讨论了人体下肢运动方式和关节的运动范围,分析了人体下肢步态特征与规律,
【基金项目】
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可穿戴下肢康复运动辅助外骨骼机器人关键技术研究（U1813212,国家自然科学基金重点项目）； 广东省电磁控制与智能机器人重点实验室（2020B1212012,广东省科技计划项目）； 深圳市物联网应用产业服务平台（20170919104246276,深圳市项目）；
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下肢康复外骨骼机器人是一种用于帮助下肢运动障碍患者恢复步行能力的康复医疗设备,在康复医疗领域具有广阔的应用前景。下肢康复外骨骼机器人具有强耦合复杂非线性的特点,机构与驱动系统均存在参数变化、外部扰动以及人机交互与耦合等突出因素影响,难以准确建模,控制难度大。本文基于计算力矩法,研究下肢康复外骨骼机器人运动控制问题,主要工作如下:讨论了人体下肢运动方式和关节的运动范围,分析了人体下肢步态特征与规律,规划了下肢康复外骨骼机器人的运动步态,建立了关节运动轨迹数学模型。基于Denavit–Hartenberg（D-H）参数法分析了下肢康复外骨骼机器人运动学,获得了运动学模型,建立了末端位姿与关节角度之间的数学关系并进行了验证;基于简化的机器人模型,利用拉格朗日法分别建立了穿戴者与机器人耦合的摆动相与支撑相的动力学数学模型。研究了基于计算力矩法的比例-微分控制方法并设计了相应控制器。针对该方法难以解决下肢康复外骨骼机器人系统的未建模动态、外界不确定扰动等问题,引入非线性滑模控制律,提出了基于计算力矩法的滑模鲁棒控制方法并设计了相应控制器。联合仿真研究显示,基于计算力矩法的滑模鲁棒控制具有更好的抗干扰能力和健壮的鲁棒性,能够实现对步态运动轨迹的跟踪控制。搭建了下肢康复外骨骼机器人实验样机平台,实验研究了下肢康复外骨骼机器人步态运动轨迹跟踪控制问题,完成了在空载与穿戴条件下的行走步态实验。实验结果表明:空载条件下,机器人髋关节和膝关节的轨迹跟踪最大绝对误差均小于1.5°;穿戴条件下,左、右髋关节的轨迹跟踪最大绝对误差均小于0.5°,左、右膝关节的轨迹跟踪最大绝对误差均小于3.0°。验证了所提出的运动控制方法的可行性与有效性,运动控制性能较好。
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