下肢外骨骼動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析與步態(tài)跟蹤控制研究.pdf

1、下肢外骨骼是一種被穿戴在人體下肢外用以增強(qiáng)人體力量、耐力的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它實(shí)現(xiàn)了人與機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在康復(fù)、軍事和運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。下肢外骨骼跟蹤人體進(jìn)行雙足步行運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)靈活性高，但是動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差;而由于感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等的耗時(shí)造成下肢外骨骼跟蹤穿戴者步行出現(xiàn)了延時(shí)，導(dǎo)致兩者運(yùn)動(dòng)不協(xié)調(diào)，甚至發(fā)生傾倒。
　　本文針對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了以下主要工作:
　　以人體下肢生理結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理為依據(jù)，對(duì)下肢外骨骼

2、進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);采用拉格朗日方程對(duì)下肢外骨骼進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，并結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算結(jié)果完成了下肢外骨骼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
　　為了研究下肢外骨骼動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，針對(duì)零力矩點(diǎn)(ZMP)穩(wěn)定性判據(jù)的不足，提出了改進(jìn)的ZMP動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估方法;采用ZMP穩(wěn)定性判據(jù)對(duì)下肢外骨骼冠狀面內(nèi)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)行研究，得到冠狀面內(nèi)保持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的條件;采用改進(jìn)的ZMP動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性評(píng)估方法研究了一些因素，包括步長(zhǎng)、步行周期、跨高和下肢外骨骼上身質(zhì)心位置等對(duì)矢狀面內(nèi)

3、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響，得到提高下肢外骨骼矢狀面內(nèi)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的方法。
　　針對(duì)下肢外骨骼跟蹤人體運(yùn)動(dòng)的延時(shí)問(wèn)題，采用下肢外骨骼跟蹤預(yù)測(cè)的人體步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)解決。研究了多種人體步態(tài)預(yù)測(cè)方法并比較其預(yù)測(cè)效果，如基于人體步態(tài)特性分析的步態(tài)預(yù)測(cè)方法、基于卡爾曼濾波的步態(tài)預(yù)測(cè)方法、基于牛頓預(yù)測(cè)器的步態(tài)預(yù)測(cè)方法和基于改進(jìn)的牛頓預(yù)測(cè)器的步態(tài)預(yù)測(cè)方法等，選擇基于改進(jìn)的牛頓預(yù)測(cè)器的步態(tài)預(yù)測(cè)方法作為人體步態(tài)預(yù)測(cè)方法;針對(duì)震動(dòng)造成的預(yù)測(cè)誤差激增的問(wèn)題，