套索系统建模及柔顺控制研究

该项目研究了一种以气动人工肌肉为驱动器的柔性外骨骼助力系统,以实现人体行走助力效果为目标,主要内容包括机构研究、控制系统研究、建模与仿真、实验研究四个方面。

1.机构研究。
气动肌肉的结构设计需要参考麦吉本肌肉的原理,设计制作满足伸缩率和拉力的人工肌肉。下肢柔性固定方案的设计则根据人体工程学,保证气动肌肉的输出拉力有效地传递到下肢上,并尽可能使人体舒适。最后是建立不同行走模式下人体的运动学与动力学模型等。
2.控制系统研究。
包括硬件方案设计与软件算法设计。硬件方案设计步骤包括单片机、电磁阀、传感器的选型和能够实现所需动作的气压回路。软件部分包括上位机与下位机软件设计,上位机是用C++ Builder设计的Windows窗口控制程序,下位机采用单片机作为整个控制系统的核心,上下位机通过串口进行通讯。下位机控制算法是整个助力方案的核心。
3.建模与仿真。
在对人体进行运动学和动力学分析的基础上,结合气动肌肉的动力学模型和电磁阀的流量控制模型,建立由PWM电磁阀控制的气动肌肉多输入多输出的模糊控制系统模型,即整套外骨骼系统的模型,并通过仿真研究分析关键参数对系统性能的影响,对提高系统的助力效果及稳定性至关重要。
4.实验研究。
在完成结构设计与控制系统设计后,选择相关元器件及材料,制作出设备实物,进入实验与软件调试阶段;实验阶段包括对实验数据的采集分析,以及对设备助力效果的评价;结合仿真结果与实验数据,分析误差原因并发掘可改良之处;从结构、控制及算法上优化系统助力方案。