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气动外骨骼助力机器人嵌入式控制系统研究
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外骨骼引申于昆虫的外壳，是一种结合人的智能和机械能的可穿戴设备，根据使用目的不同，可以分为助力型和康复型。康复型主要用于没有运动能力的病人的康复训练，助力型则主要用于军事、灾难救援等场合。控制系统相当于外骨骼的大脑，外骨骼信号的采集、人机交互的实现、执行器的控制全部通过控制系统实现，本课题研究的重点即为控制系统设计。
本课题主要难点为设计和实现复杂控制系统并将控制算法移植入系统中实现对系统的控制，围绕机器人嵌入式控制系统开展研究，首先根据结构和最终指标分析控制系统需求，确定了系统方案。作为核心的控制器采用上下位机的方式实现，上位机采用ARM，通过嵌入式LINUX系统实现人机交互和上下肢的运动路径规划，配置人机交互界面作为主控界面。下位机采用DSP进行各关节运动控制，通过对高速开关阀的闭环控制实现对气动肌肉的高精度运动控制，同时在PC端设计监控界面完成数据的采集和显示。根据系统控制要求，设计了控制系统的程序框架，进行了器件选型，完成了硬件系统的制作和实验测试。基于嵌入式控制系统，首先开展了对单根气动肌肉的模糊PID控制和滑模控制研究，经对比采用滑模控制作为主要控制算法进行外骨骼助力机器人手臂的运动控制。开展了人机协同控制研究，上肢运动路径规划采用阻抗控制算法实现，下肢首先依据人体行走实际运动情况对机器人步态进行划分，确定机器人步态变化规则，然后在系统中根据足底传感器和关节转角传感器信息进行步态判别，根据机器人步态变换规则确定腿部运动路径并进行控制。最后，为了实现外骨骼助力机器人无外接电源、气源独立工作，本课题研究开发了背负式电源系统和气源系统，解决了机器人能源供给问题，实验结果表明机器人能依靠自身能源完成一定时间内的人机协同独立行走和助力工作。
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