面向康复医学的异构双腿行走机器人关键技术研究

智能仿生腿是一种能够很好代偿下肢残缺者基本功能的高级智能假肢。为了给智能仿生腿的研究提供一个理想平台，将双腿机器人与智能仿生腿的研究结合起来，本课题提出了面向康复医学的异构双腿行走机器人模式。基于人体生物力学研究，将智能人工肌肉与磁流变阻尼器分别用于多轴膝人工腿的主动控制及智能仿生腿的半主动控制。本课题主要研究工作为：（1）人体肌肉作用机理及双腿仿生机构设计；（2）智能人工肌肉及磁流变阻尼器的建模方法与智能控制；（3）智能仿生腿对人工腿的步态感知、预测、规划及在线调整；（4）异构状态下双腿的步态协调控制。在理论研究分析的基础上，利用虚拟样机技术进行仿真分析，然后结合原型样机开展相关实验研究，从原理及实现方法两方面探索提高智能仿生腿柔顺性和自适应性的方法。本课题的研究将促进假肢与人体的有机集成，对智能仿生腿及双腿机器人的发展都有重要的理论意义和实际价值。

为了给智能仿生腿的研究提供一个理想平台，将仿人机器人与智能仿生腿的研究结合起来，提出了面向康复医学的异构双腿行走机器人（BRHL）模式并对其关键技术进行了研究。在分析BRHL双腿仿生性要求的基础上，提出了BRHL的总体设计方案，进行了人工腿及仿生腿的详细设计并建立了虚拟样机，分析了四杆闭链膝关节的拟人特性和仿生腿的稳定性及运动性能。仿生腿膝关节采用磁流变阻尼器半主动驱动，人工腿膝关节采用气动人工肌肉主动柔顺控制。基于拉格朗日第一类方程及分割建模的思想，分别建立了人工腿和仿生腿的运动学模型，以及针对支撑相和摆动相的动力学模型，并进行了仿真计算；在磁流变阻尼器实验的基础上，基于Bouc-Wen模型建立了磁流变阻尼器的正向模型，采用BP神经网络建立了磁流变阻尼器的逆向模型。搭建了气动人工肌肉性能测试实验平台，分别在等压、等长、等载的条件下对其特性进行了实验，建立了输出力、收缩率及输入压力三者之间的关系，基于最小二乘法对模型进行参数辨识，建立了其精确的数学模型。将中枢模式发生器法应用于BRHL人工腿步态规划，基于Hopf非线性振荡器模型建立CPG控制网络，采用遗传算法进行参数整定并在MATLAB中进行仿真得出步态，基于步态跟随优化的思想进行了仿生腿的步态规划。研究了步态的描述、步态时相的划分，基于有限状态机FSM分析方法，提出了基于典型事件检测及产生式规则的步态感知方法。对智能仿生腿进行了系统辨识，得到其传递函数，基于遗传算法对膝关节PID参数进行了整定并进行了控制仿真。基于PID控制、模糊PID控制进行了BRHL控制仿真，开发了BRHL原型样机及实物控制系统。