广东工业大学学报 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (06): 44-52.doi: 10.12052/gdutxb.220014

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下肢外骨骼机器人动力学参数辨识与步态跟踪

刘洋1,2, 彭世国1, 马宏志1, 廖维新2   

  1. 1. 广东工业大学 自动化学院, 广东 广州 510006;
    2. 香港中文大学 机械与自动化系, 香港 999077
  • 收稿日期:2022-01-17 出版日期:2022-11-10 发布日期:2022-11-25
  • 作者简介:刘洋(1980-) ，男，讲师，博士研究生，主要研究方向为外骨骼机器人控制，E-mail：ly1705@sina.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金资助项目(61976059)；香港特别行政区研究项目(14201615)；校企合作项目(21HK0259)

Dynamic Parameter Identification and Gait Tracking of Lower Limb Exoskeleton Robot

Liu Yang1,2, Peng Shi-guo1, Ma Hong-zhi1, Liao Wei-xin2   

  1. 1. School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China;
    2. Department of Mechanical and Automation Engineering, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China
  • Received:2022-01-17 Online:2022-11-10 Published:2022-11-25

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摘要： 为了提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪的精度，对于下肢外骨骼二连杆动力学模型，提出一种静态与动态结合的参数辨识的实验方法，并结合穿戴者人体参数，得到人机协同系统精确的动力学模型。采用基于模型上界的滑模控制，并引入低通滤波器，进行MATLAB步态跟踪仿真。经仿真表明，髋关节和膝关节转矩的实验测量值与理论计算值的波形基本一致，动力学参数辨识结果正确；基于滑模控制的人机协同系统能够实现髋关节和膝关节对参考步态轨迹的精准跟踪，低通滤波器能够有效减小滑模控制引起的高频抖振。这为下肢外骨骼动力学参数辨识提供了一种解决方案，为基于模型的控制方法提供了一种参考模型，为下肢外骨骼人机协同系统的步态轨迹精准跟踪提供了一种参考方法。

关键词: 外骨骼机器人, 动力学模型, 参数辨识, 滑模控制, 步态跟踪

Abstract: To improve the tracking accuracy of the gait trajectory of the lower limb exoskeleton robot (LLER) , an experimental method of parameter identification is proposed for the LLER’s two-link dynamic model, including static and dynamic experiment. Combined with the wearer’s human parameters, the accurate dynamic model of the LLER human-machine collaborative system is deduced. The sliding mode control (SMC) with the upper bound of the model and a low-pass filter are adopted to track the gait trajectory precisely by MATLAB. The simulation shows that the waveforms of the hip and knee torques measured by experiment are basically consistent with the theoretical values by calculation, and the dynamic parameter identification results are correct. The human-machine collaborative system based on SMC can realize the accurate tracking of the reference gait trajectories of the hip and knee joints, and the low-pass filter can effectively reduce the high-frequency chattering caused by SMC. This research provides a solution for the identification of the dynamic parameters of LLER, a reference model for the model-based control method, and a reference method for precisely tracking the gait trajectory of LLER human-machine collaborative system

Key words: exoskeleton robot, dynamic model, parameter identification, sliding mode control, gait tracking

中图分类号: 

  • TP242
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