摘要
由于我国老龄化问题日益加剧，行走功能障碍人群数量显著增长，如何为这部分人群提供高效的康复训练，已成为社会关注的问题。外骨骼在国防、医疗及日常生活等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，当前的外骨骼在柔顺性和穿戴舒适性方面仍有待提升。本文设计了一款以气动肌肉为驱动源的膝关节外骨骼，该外骨骼基于人体工学原理，模拟人体膝关节的运动瞬心轨迹，确保与人体膝关节运动的一致性，以提升穿戴者的安全性和舒适度，并提出基于干扰观测器的模糊滑模控制策略用于控制所设计的膝关节外骨骼。本文主要研究内容如下： 首先对仿生膝关节外骨骼进行结构设计。分析人体膝关节解剖结构和运动机理，以人体膝关节瞬心轨迹为依据，结合行星轮系运动特点设计了一款气动肌肉驱动的瞬心可变膝关节外骨骼，该外骨骼能够实现瞬心轨迹与人体膝关节瞬心轨迹的重合，提高了穿戴舒适性。根据人体数据对腿部、脚掌等重要部件进行设计。最后对关键零件进行强度分析，结果表明所设计的膝关节外骨骼满足强度要求。 其次针对气动肌肉驱动器数学模型展开研究。对比讨论了气动肌肉建模的几种常用方法，选用三元素建模法并根据需求搭建了气动肌肉三元素实验平台。随后进行了气动肌肉静态加载和动态加压实验，记录对应的气压、位移、负载实验数据，通过参数辨识得到收缩单元、弹性单元、阻尼单元对应参数，建立了气动肌肉三元素模型。 接着对所设计的膝关节外骨骼进行运动学和动力学分析。采用了 D-H 法构建了外骨骼的位姿变换矩阵，进一步推导出了膝关节外骨骼的正运动学和逆运动学方程。通过拉格朗日法建立膝关节外骨骼的动力学方程，明确了膝关节外骨骼运动过程中的力矩与关节转动状态之间的变化规律。通过动力学仿真验证了所建立动力学模型的准确性。 然后针对气动肌肉驱动的膝关节外骨骼控制策略进行研究。考虑气动肌肉驱动器建模误差与外骨骼受到外界不确定干扰对控制带来的影响，本文提出了基于干扰观测器的模糊滑模控制策略。该控制策略以滑模控制为基础，加入干扰观测器来对外界干扰作出补偿，利用模糊控制根据轨迹跟踪误差及系统干扰大小来实时调节控制器增益系数K，增强了系统的鲁棒性。在仿真实验中验证了所提控制策略的有效性。 最后开展了膝关节外骨骼样机实验平台的搭建及有关实验的研究。为了检验所提控制策略对膝关节外骨骼实际控制效果，对膝关节外骨骼样机进行了加工并搭建了实验平台。先后进行了空载和穿戴状态轨迹跟踪实验。实验结果表明，在空载和穿戴情况下所提控制策略对轨迹跟踪控制均有较高的精确性和稳定性。
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