刚柔混联下肢康复机器人绳索力优化及柔顺性控制研究

刚柔混联下肢康复机器人绳索力优化及柔顺性控制研究

近年来,随着人们生活质量的提高,服务型机器人受到社会广泛关注,其中帮助运动功能障碍患者进行康复训练的机器人也快速发展起来。因绳牵引并联机构具有机构布置容易、柔顺性好等特点,所以更能满足康复训练中的机器人构型需要和柔顺性要求,增强患者在康复训练中的有效性和安全性。

因此,研究绳牵引下肢康复机器人绳索力及其柔顺性控制具有重要的现实意义。本课题是在国家自然科学基金(51405095)、哈尔滨市科技创新人才专项资金(2014RFQXJ037)及黑龙江博士后科研启动金(LBH-Q15030)资助下进行的。

主要内容如下:首先,根据步态训练需要,建立了刚柔混联机器人构型,依据机器人构型的驱动冗余度,利用广义逆g逆与Drazin逆,建立了绳索力优化模型,并通过MATLAB对模型进行了仿真分析,求解出绳索力变化规律。利用所提出的衡量绳索驱动力性能指标,对比分析不同驱动冗余度下绳索驱动力的性能,为机器人绳索设置提供了依据。

其次,建立机器人系统动力学模型,并依据绳索驱动单元的数学模型,分析绳索刚度系数K与绳索阻尼系数B对绳索驱动单元频率特性的影响,进而分析刚柔混联下肢康复机器人的被动柔顺性。考虑到训练者与机器人直接接触,为了保证训练者在康复训练中的有效性和安全性,建立基于力内环、位置外环的阻抗控制策略,使系统具有主动柔顺性特征,同时考虑外界扰动,在阻抗控制中加入前馈控制,构成绳索驱动单元的复合控制策略,实现抵抗扰动干扰提高跟踪效果。

利用MATLAB/Simulink对系统控制性能进行仿真分析,并验证所建控制策略的有效性。最后,通过雷赛DMC5000运动控制卡、MLDS3620多功能直流伺服驱动器、阿尔泰PCI8620数据采集卡以及工业控制计算机建立控制系统。

通过对样机进行绳索驱动单元力闭环实验、绳索驱动单元轨迹跟踪实验以及绳索驱动单元阻抗控制实验,证明了所建立的刚柔混联下肢康复机器人控制策略对系统主动柔顺性控制的有效性。