摘要
外骨骼机器人系统融合了传感、控制、信息耦合、移动计算等技术，可有效增强人体机能，其结构的科学性和人机融合性影响着康复及助力效果。在外骨骼机器人的研究过程中，控制策略是核心技术之一，因此开发更有效的控制策略来提升外骨骼机器人的实用性，是未来外骨骼机器人技术发展的主要方向。为提升上肢外骨骼操控的安全性和柔顺性，本文重点研究基于动力学的控制和运动规划方法。在对比分析国内外相关控制技术的基础上，设计基于力矩的零力控制器，应用于上肢外骨骼无任务时的随动模式。针对上肢外骨骼有任务时的助力模式，制定基于力的阻抗控制策略，并改进基于动态运动基元的运动规划方法。以此为穿戴者提供助力，也可实现上肢外骨骼末端在动态任务目标间的规律性往复运动。论文主要内容如下： （1）建立上肢外骨骼的DH模型并进行运动学分析，运用平面几何关系验证上肢外骨骼运动学方程的正确性。采用三种方法求解外骨骼相对于基坐标系的雅克比矩阵，提出一种利用矩阵R的秩与（R+1）阶子行列式的关系来求解外骨骼奇异位姿的方法，通过条件数、最小奇异值、各向同性等灵巧度指标验证所求奇异位姿，并分析各灵巧度指标的优缺点。 （2）利用能量守恒定律和柔性特性的等效原理，求解质量矩阵、重力矩阵及动力学方程，构建上肢外骨骼动力学模型。为更好的实现基于动力学的控制和运动规划，采用电流检测代替传感器进行力矩估计，分别对电机灵敏度、静摩擦力、黏滞摩擦力和库仑力等参数进行辨识，利用直流电机电流与力矩的关系获得重力矩补偿电流。 （3）设计基于力矩的零力控制器并分析其合理性。制定基于力的阻抗控制策略，分析阻抗参数对系统稳定性的影响，对阻抗控制策略的补偿力跟踪效果进行仿真实验。针对动态运动基元轨迹学习算法，提出扩展基函数中心和改变基函数产生方式的优化方案，用于提高外骨骼轨迹学习的准确度和效率，并在自主研发的上肢外骨骼机器人平台上进行相应的实验和分析。
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