助行器的控制系统设计

常镭民

(山西机电职业技术学院，山西 长治 046011)

0 引言

助行器是能够让人们穿戴行走的人机一体化装置，它将人类和两足机器人结合在一起，并利用智能的数字系统来控制机械装置，促使下肢瘫痪者正常行走。目前大多国内外研究的助行器的单腿只在髋关节、膝关节处安装驱动装置[1]，使得穿戴助行器者关节活动单一，且受到限制。为了解决当前研究中的不足，本文提出了助行器控制系统中的多轴协同运动控制，并设计了扩展性能好、驱动能力强的控制系统。

1 助行器动力学分析

通过对人体腿部模型分析，建立助行器机械结构的三维模型，然后对模型进行动力学分析，为助行器智能控制系统的设计提供相对应的支撑，使下肢瘫痪者在穿戴助行器时可以达到正常人实际行走的效果。

人体腿部可以被抽象地视为平面三连杆机构[2],故建立的助行器模型如图1所示，在此助行器机械结构模型的基础上建立拉格朗日方程。

图1 助行器模型

在图1中，各关节的连杆长度为L1、L2和L3，质量为M1、M2和M3，转矩为T1、T2和T3；本文把连杆质量都视为集中在各杆的重心上，d1、d2和d3为各连杆重心的位置，其广义坐标(各连杆的角度)为θ1、θ2和θ3，定义正方向为逆时针。该模型视为由质点M1、M2和M3组成的质点系,构建的动力学方程为：

其中：Dii为第i(1,2,3)关节的等效转动惯量；Dij为关节i(1,2,3)和关节j(1,2,3)的耦合转动惯量；Dijj为向心力系数；Diik、Dijk为科氏力系数；Di为关节i重力系数;Q1为髋关节力矩;Q2为膝关节力矩;Q3为踝关节力矩。

按照GB10000—88中国正常成年人体尺寸国家标准，在此次助行器模型中，选取正常成年男子18岁～60岁年龄中的人体百分位中的第五十百分位数据作为参考依据，助行器模型的参数如表1所示。……