基于等效惯量补偿的索驱动助力膝关节人机协调控制研究

The application studys the human-exoskeleton coordinate problem of exoskleton system proceeding from enhancing the kinematic response of the human limbs in order to realize the effective power and fast follow of power assisted exoskeleton for wearer.The adaptive coordination control based on emulated inertia compensation is proposed. The power assisted exoskelton of knee joint with tendon sheath will be designed based on the study of human motion biomechanical. The coupled human exoskeleton system with flexible drive will be studied for giving the methodology of the control operation.The emulated inertia compensation controller will be designed and the control method about parametric adaptive control will be studied in order to satisfy the matching and compensating of inertia gain parametric.The stability conditions of control method of human exoskeleton system will be analyzed bsed on stability criterion. The experiments about effect of power assisted and tracking performance of knee exoskeleton will be applied. The results will be give some base for the optimize of exoskeleton. The research results will provide a reliable and stability coordinate control method for human-exoskeleton system.

为了实现助力外骨骼对穿戴者的有效助力及快速跟随的目的，本申请从增强外骨骼对人体下肢的运动响应着手，对外骨骼系统的人机协调性问题进行研究，提出基于等效惯量补偿的人机系统自适应协调控制方法。以下肢助力外骨骼的膝关节为切入点，基于人体运动生物力学研究，进行套索驱动的助力膝关节外骨骼的机构方案设计；对引入柔性驱动的人机耦合系统模型进行研究，为控制的实施提供方法论；研究等效惯量补偿控制系统，满足惯量增益系数的快速匹配与补偿，实现参数的自适应模糊控制；基于稳定判据对控制方法的稳定性进行研究，分析人机系统控制方法的稳定条件；进行助力膝关节外骨骼的助力效果及运动响应的性能实验研究，为外骨骼的优化提供理论研究基础。该项目的研究成果为助力外骨骼技术提供了一种可靠稳定的人机协调控制方法。

随着老龄化的加剧及医疗康复的需求，研究一种穿戴式行走助力下肢外骨骼是近年来国内外的关注热点，而如何采用一种轻型且具有仿生肌肉功能的新型驱动方式实现关节驱动及如何采用一种有效的人机协调控制方法实现外骨骼的快速跟随运动是其研究的关键问题。为此，进行了两种柔性驱动方式的研究：采用电机串联弹簧并组合刹车模块实现多模式驱动的弹性驱动器；采用电机驱动套索传动的驱动器。根据这两种驱动方式，进行了助力膝关节外骨骼机构设计及外骨骼系统的动力学建模。针对采用弹性驱动器的膝关节外骨骼样机，进行了基于状态机控制的外骨骼机械腿运动研究，验证了柔性驱动器多模式运动的可行性；针对采用电机驱动套索传动的膝关节外骨骼样机，进行了基于等效惯量补偿的外骨骼机械腿运动控制研究，采用力矩外环和位置内环的导纳控制方法，通过导纳控制器将交互力矩转换为外骨骼期望的运动轨迹以实现对穿戴者意图的识别与跟踪，实现了人机协调运动。