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下肢外骨骼机器人控制方法的研究
摘 要
外骨骼机器人技术始于军事领域，最初是设计用来放大士兵的力量，
增强其持久力，它体现了人类长久的一种愿望，即通过机器去放大人体肢
体的力量，并保持人体操作的灵活性。近年来它开始延伸到民用领域，最
显著的应用是辅助下肢衰弱者或者下肢瘫痪者摆脱轮椅并站立行走。人体
所有的运动都是由人体神经系统控制，而力量则与人体肌肉有关。当人逐
渐衰老或发生意外事故使其无法像正常人一样运动时，下肢外骨骼则会在
人体运动时给予一定的助力，使人体自身消耗减少。人体行走时人体运动
中最复杂而且最常用的运动之一，如果只能依靠轮椅进行移动的人可以依
靠外骨骼装置站立起来并行走，那将对他们的人生态度会有极大的积极影
响。
下肢外骨骼系统是穿在人体下肢上的一套人机一体化的装置，其融合
了控制技术、人机工程学、机器人学、仿生学、信号处理技术、传感器技
术。它强调人机结合，并实现人体的控制和机器的力量的优势互补。可穿
戴式下肢外骨骼系统的成功研制将会在单兵作战设备，康复治疗设备，改
善繁重危险劳动设备，新型环保代步行走方面有极为广阔的应用前景。
本文分析了人体下肢结构和自由度、人体行走机理和运动学，并设计
了下肢外骨骼机器人的虚拟样机。根据下肢外骨骼特有的控制要求，设计
了有创新性的差动轮系驱动器，并设计的带有触发装置的拐杖。然后设计
下肢外骨骼的控制系统，因为本文所设计的外骨骼的目标人群为下肢衰弱
者或下肢瘫痪者，主要功能为让使用者能够站立行走，因此必须采用被动
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式控制系统，即下肢外骨骼的行走控制由人体上肢和拐杖来控制，人体下
肢处于被动位置，完全由外骨骼来带动行走。根据此要求完成对下肢外骨
骼控制系统软件部分和硬件部分的设计。最后用对单侧下肢外骨骼的运动
学和动力学进行了理论分析，并得出了其运动学和动力学方程。通过运动
学方程我们可以通过下肢外骨骼的各关节角计算出外骨骼末端相对于髋
关节坐标系的位姿。通过动力学方程我们可以看出下肢外骨骼的有效惯量
和耦合惯量及重力对关节驱动器转矩的影响，对于外骨骼的运动控制提供
了理论依据。由于下肢外骨骼需要代替人体下肢行走，故其需要跟踪人体
正常行走的角位移曲线。通过分析人体在行走时关节角速度和功率曲线的
特点，可以发现外骨骼关节驱动器需要大范围变速变功率。单一电机只能
选择大功率电机，单电机容易导致惯性大，动态性能变差的特点。本文并
利用差动行星齿轮机构两个输入对输出影响不同的特点，结合传统 PID 控
制算法，创造性地设计了 bangbang-PD 轨迹跟踪控制算法，并通过 ADAMS
和 SIMULINK 联合仿真证实了该控制方法相对于传统控制方法具有较好
的步态轨迹跟踪性能。
关键词：下肢外骨骼,行星差动齿轮机构,bangbang-PD,联合仿真
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RESEARCH ON CONTROL METHOD OF LOWER
EXOSKELETON ROBOT
ABSTRACT
Exoskeleton robot technology began in the military field, which was
originally designed to amplify the power of the soldiers and enhance their
endurance, it reflects a long-standing desire of mankind, that is, through
machine to amplify the power of the human limb, an