本發(fā)明屬于外骨骼機(jī)器人控制，具體涉及一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法。

背景技術(shù)：

1、下肢外骨骼機(jī)器人作為一種機(jī)電一體化智能康復(fù)設(shè)備，可以代替康復(fù)治療師協(xié)助下肢機(jī)能障礙患者進(jìn)行重復(fù)且繁重的康復(fù)訓(xùn)練，在重復(fù)性、多樣性、成本和效率等方面具備明顯優(yōu)勢(shì)。目前下肢康復(fù)外骨骼多采用驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于人體關(guān)節(jié)處的剛性驅(qū)動(dòng)，外骨骼機(jī)身笨重，患側(cè)肢體的運(yùn)動(dòng)慣量和運(yùn)動(dòng)負(fù)擔(dān)大，限制了患者穿戴康復(fù)的效果。相比而言，繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼的驅(qū)動(dòng)器可以外置在遠(yuǎn)離肢體運(yùn)動(dòng)的軀干處，利用鮑登繩遠(yuǎn)程傳輸動(dòng)力，減少運(yùn)動(dòng)慣性的同時(shí)增加了系統(tǒng)的柔順性，在康復(fù)應(yīng)用中展現(xiàn)出更為巨大的潛力。但繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼增加機(jī)構(gòu)復(fù)雜性的同時(shí)，其強(qiáng)非線性問(wèn)題也增加了系統(tǒng)控制的困難，包括套索傳動(dòng)因內(nèi)在摩擦及自身柔性帶來(lái)的滯后性問(wèn)題，關(guān)節(jié)摩擦問(wèn)題，人機(jī)協(xié)調(diào)控制時(shí)因耦合作用導(dǎo)致的不確定性干擾問(wèn)題。

2、目前大多數(shù)下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，軌跡跟蹤控制是實(shí)現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)的主要控制方式，而對(duì)于以重復(fù)性運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的康復(fù)訓(xùn)練，尤其是被動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練，控制性能對(duì)于康復(fù)效果的好壞具有基礎(chǔ)性甚至決定性的作用。這不僅要求控制器具備良好的穩(wěn)定性和確定性，更要求具備良好的抗擾動(dòng)性能。由上可知，繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼的強(qiáng)非線性導(dǎo)致難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，基于無(wú)模型的控制方法可以擺脫系統(tǒng)模型的束縛，避免外骨骼系統(tǒng)中復(fù)雜的系統(tǒng)辨識(shí)與逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算，近年來(lái)被逐漸應(yīng)用于外骨骼控制領(lǐng)域。

3、自抗擾控制作為一種無(wú)模型控制方法，采用積分標(biāo)準(zhǔn)型構(gòu)造被控對(duì)象模型，以降低對(duì)模型參數(shù)的依賴性，再利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)集中擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)并補(bǔ)償，以抵消集中擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，進(jìn)而提高系統(tǒng)的魯棒性。因此，自抗擾控制非常適合于處理外骨骼的協(xié)同控制問(wèn)題。此外，基于被動(dòng)康復(fù)運(yùn)動(dòng)重復(fù)性的特點(diǎn)，結(jié)合重復(fù)學(xué)習(xí)控制的優(yōu)點(diǎn)，有利于提高外骨骼軌跡跟蹤控制的精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，以實(shí)現(xiàn)外骨骼系統(tǒng)的人機(jī)協(xié)同控制，提高系統(tǒng)魯棒性和穩(wěn)定性的同時(shí)將系統(tǒng)跟蹤誤差控制在較低的水平。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案是：

3、一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，包括以下步驟：

4、步驟1、分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)控制力矩之間的關(guān)系，建立繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼動(dòng)態(tài)模型;

5、步驟2、設(shè)計(jì)滑模面，避免差分速度信號(hào)的誤差放大效應(yīng)；

6、步驟3、設(shè)計(jì)自抗擾學(xué)習(xí)控制器并分析系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)下肢繩驅(qū)康復(fù)外骨骼軌跡跟蹤控制。

7、可選地，所述步驟1的過(guò)程如下：

8、1.1?雙套索傳動(dòng)系統(tǒng)模型建立，

9、(1)；

10、式?(1)?中，表示雙套索系統(tǒng)中鮑登繩的初始預(yù)緊力大?。槐硎緯r(shí)刻電機(jī)端的驅(qū)動(dòng)力矩；和分別表示時(shí)刻及上一時(shí)刻外骨骼關(guān)節(jié)處的控制力矩；分別表示電機(jī)端驅(qū)動(dòng)輪和外骨骼關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)輪的半徑；是符號(hào)函數(shù)，定義順時(shí)針傳動(dòng)時(shí)為正，逆時(shí)針傳動(dòng)時(shí)為負(fù)，不傳動(dòng)時(shí)為零?；是套管與鮑登繩之間的庫(kù)倫摩擦系數(shù)；表示套索微元的曲率，是套管長(zhǎng)度；

11、1.2?下肢外骨骼動(dòng)力學(xué)建模，

12、(2)；

13、式?(2)?中，分別表示外骨骼各關(guān)節(jié)的角度、角速度和角加速度向量；為對(duì)稱正定慣性矩陣，為哥氏力與向心力矩陣，為重力矩陣；表示電機(jī)減速器及機(jī)構(gòu)安裝產(chǎn)生的關(guān)節(jié)摩擦力矩；表示人機(jī)交互力矩；

14、下肢外骨骼關(guān)節(jié)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間通過(guò)套索傳動(dòng)，聯(lián)系公式?(1)?和?公式?(2)，繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼的動(dòng)力學(xué)模型為，

15、(3)；

16、式?(3)?中，；

17、1.3?定義狀態(tài)變量，，外骨骼系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式為，

18、(4)；

19、式?(4)?中，分別表示的一階導(dǎo)數(shù)；此外，給定周期為的光滑有界軌跡，存在期望輸入滿足，

20、(5)；

21、式?(5)?中，為有界周期性信號(hào)，分別表示的一階導(dǎo)數(shù)；結(jié)合式(5)，系統(tǒng)狀態(tài)空間表達(dá)式?(4)?變?yōu)椋?/p>

22、(6)；

23、式?(6)?中，；。

24、可選地，所述步驟2的過(guò)程如下，

25、2.1?計(jì)算系統(tǒng)軌跡跟蹤誤差：

26、(7)；

27、2.2?設(shè)計(jì)滑模面，

28、(8)；

29、式?(8)?中，為可調(diào)正參數(shù)；是的估計(jì)值；是的一階導(dǎo)數(shù)；表示的觀測(cè)誤差。

30、可選地，所述步驟3的過(guò)程如下，

31、3.1?定義控制器，

32、(9)；

33、式?(9)?中，為期望輸入的估計(jì)值，為魯棒控制項(xiàng)；

34、3.2?設(shè)計(jì)重復(fù)學(xué)習(xí)律估計(jì)系統(tǒng)?(6)?中的周期不確定性，

35、(10)；

36、式?(10)?中，和分別表示在和時(shí)刻的估計(jì)值；為重復(fù)學(xué)習(xí)增益；為限幅函數(shù)，定義為，

37、(11)；

38、式?(11)?中，表示的限幅值，為符號(hào)函數(shù)；

39、此外，式?(10)?中為定義在上的連續(xù)函數(shù)，

40、(12)；

41、3.3?設(shè)計(jì)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)系統(tǒng)未知狀態(tài)；為此，將式?(6)改寫(xiě)為，

42、(13)；

43、式?(13)?中，，其中是的逆矩陣，，表示的估計(jì)誤差；為系統(tǒng)已知部分，通過(guò)先驗(yàn)知識(shí)得到；表示的一階導(dǎo)數(shù)，為有界函數(shù)；

44、針對(duì)式?(13)?所描述的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器為，

45、(14)；

46、式?(14)?中，分別表示觀測(cè)器狀態(tài)的一階導(dǎo)數(shù)；表示帶寬常數(shù)；

47、3.4?設(shè)計(jì)自抗擾控制器補(bǔ)償系統(tǒng)中的非周期不確定性，

48、(15)；

49、式?(15)?中，為可調(diào)正參數(shù)；

50、將式?(15)?代入式?(9)，自抗擾學(xué)習(xí)控制器為，

51、(16)。

52、本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是：面向執(zhí)行被動(dòng)式康復(fù)訓(xùn)練的強(qiáng)非線性繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng)。將系統(tǒng)中的不確定性分為周期不確定性和非周期不確定性，設(shè)計(jì)線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)系統(tǒng)未知狀態(tài)及補(bǔ)償系統(tǒng)非周期不確定性，提高系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性；同時(shí)，設(shè)計(jì)重復(fù)學(xué)習(xí)律估計(jì)系統(tǒng)中的周期不確定性，提高系統(tǒng)軌跡跟蹤的精度。

53、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

54、1、本發(fā)明克服了繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng)難以精確建模的技術(shù)難點(diǎn)，易于工程應(yīng)用；

55、2、本發(fā)明利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和補(bǔ)償繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼系統(tǒng)未知狀態(tài)，提高了系統(tǒng)的魯棒性；

56、3、本發(fā)明使用觀測(cè)的速度信號(hào)替代差分的速度信號(hào)，避免了干擾的誤差放大效應(yīng)；

57、4、本發(fā)明面向外骨骼被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，在重復(fù)學(xué)習(xí)律的作用下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重復(fù)性期望軌跡的高精度跟蹤控制，提高了康復(fù)訓(xùn)練的效果。

技術(shù)特征：

1.一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于，所述步驟1的過(guò)程如下：

3.如權(quán)利要求2所述的一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于，所述步驟2的過(guò)程如下：

4.如權(quán)利要求2或3所述的一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，其特征在于，所述步驟3的過(guò)程如下：

技術(shù)總結(jié)
一種繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼自抗擾學(xué)習(xí)控制方法，屬于外骨骼機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，包括以下步驟：1）分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩與關(guān)節(jié)控制力矩之間的關(guān)系，建立繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼動(dòng)態(tài)模型；2）設(shè)計(jì)滑模面，避免差分速度信號(hào)的誤差放大效應(yīng)；3）設(shè)計(jì)自抗擾學(xué)習(xí)控制器并分析系統(tǒng)性能，實(shí)現(xiàn)下肢繩驅(qū)康復(fù)外骨骼軌跡跟蹤控制。本發(fā)明的控制方法將繩驅(qū)外骨骼系統(tǒng)模型中的不確定性分為周期不確定性和非周期不確定性，利用線性擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器估計(jì)和補(bǔ)償周期不確定性并設(shè)計(jì)重復(fù)學(xué)習(xí)律估計(jì)周期不確定性，提高系統(tǒng)魯棒性和穩(wěn)定性的同時(shí)能夠?qū)⑾到y(tǒng)跟蹤誤差控制在較低的水平，方法控制規(guī)律簡(jiǎn)單，對(duì)于提高繩驅(qū)下肢康復(fù)外骨骼的控制性能具有巨大的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：陳強(qiáng),肖純杰,賴軍杰,施卉輝,何熊熊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6