[发明专利]一种气动肌肉的自适应控制方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，更具体地，涉及一种气动肌肉的自适应控制方法和系统。

背景技术

随着气动技术的发展，新型气动元件及应用不断涌现，气动肌肉(Pneumatic muscle，PM)就是其中的典型代表。气动肌肉与生物肌肉具有类似的力学特性，并且以其低成本、高功率/质量比、安装简便等方面的优势而在医疗康复、远程控制、智能机器人、工业自动化等领域得以广泛应用。但是气动肌肉在控制方面存在着下述的技术难点，其具有强非线性特性及时变特性，难以获得精确的数学模型。而现有技术中存在着如下不足之处：第一，传统的控制方法依赖于精确的数学模型，当气动肌肉的负载和行程发生变化时，不能获得较好的控制效果。第二，现有技术对气动肌肉系统缺乏严格的稳定性分析，故难以从理论上保证系统的控制性能。第三，尽管现有技术中提出了诸如滑膜控制一类的控制方法，能够适应系统特性的变化，但却难以获得较高的控制精度。因此如何寻找一种合适的控制策略以处理气动肌肉系统的不确定性，并使其有效的应用于实际过程中，是亟待攻克的一大技术难关。

由此可见，现有技术存在控制效果差、控制性能差、控制精度低的技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种气动肌肉的自适应控制方法和系统，其目的在于将实时位移和期望轨迹的期望位移输入自适应控制器得到控制指令；将控制指令转换为控制电压，利用控制电压控制气动肌肉按照期望轨迹运行。由此解决现有技术存在控制效果差、控制性能差、控制精度低的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种气动肌肉的自适应控制方法，包括：

(1)采集气动肌肉运动时的实时位移，将实时位移和期望轨迹的期望位移输入自适应控制器得到控制指令；

(2)将控制指令转换为控制电压，利用控制电压控制气动肌肉按照期望轨迹运行；

自适应控制器为：

其中，u是控制指令，是自适应变量，是自适应变量的变化率，是镇定控制器，K₁是自适应控制第一增益，K₂是自适应控制第二增益，λ是自适应控制权重，ζ是期望轨迹的运动学参数，是根据期望位移计算的期望加速度，x₁是实时位移，x₂是根据实时位移计算的实时速度，r是期望位移，是根据期望位移计算的期望速度。

进一步的，自适应控制第一增益和自适应控制第二增益的范围：

其中，π₁是自适应控制第一边界系数，b_max是单位质量的最大摩擦力系数，k_max是单位质量的最大弹力系数，π₂是自适应控制第二边界系数，d是在范围内的任意常数，γ_min是单位质量的最小收缩元力系数，α_max是单位质量的最大阻尼因子系数，是期望轨迹的最大速度，β_max是单位质量的最大弹簧因子系数，r_max是期望轨迹的最大位移，b_min是单位质量的最小摩擦力系数。

进一步的，单位质量的最大摩擦力系数、单位质量的最大弹力系数、单位质量的最小收缩元力系数、单位质量的最大阻尼因子系数、单位质量的最大弹簧因子系数和单位质量的最小摩擦力系数通过建立气动肌肉的三元素模型，对气动肌肉的三元素模型的参数进行辨识得到。

按照本发明的另一方面，提供了一种气动肌肉的自适应控制系统，包括：

第一模块，用于采集气动肌肉运动时的实时位移，将实时位移和期望轨迹的期望位移输入自适应控制器得到控制指令；

第二模块，用于将控制指令转换为控制电压，利用控制电压控制气动肌肉按照期望轨迹运行；

自适应控制器为：

其中，u是控制指令，是自适应变量，是自适应变量的变化率，是镇定控制器，K₁是自适应控制第一增益，K₂是自适应控制第二增益，λ是自适应控制权重，ζ是期望轨迹的运动学参数，是根据期望位移计算的期望加速度，x₁是实时位移，x₂是根据实时位移计算的实时速度，r是期望位移，是根据期望位移计算的期望速度。

进一步的，自适应控制第一增益和自适应控制第二增益的范围：