[发明专利]基于外骨骼机器人柔性作动器的位置跟踪优化控制方法

权利要求书

1.一种基于外骨骼机器人柔性作动器的位置跟踪优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，动态数学模型的建立：使用牛顿运动定律，在忽略摩擦力影响的情况下，建立外骨骼机器人柔性作动器的动态数学模型；

步骤二，定义滚动优化性能指标：通过选择合适的优化指标，实现对控制性能的优化；

步骤三，基于扰动补偿的位置预测输出；为了得到位置预测值，在考虑扰动补偿的情况下，确立对应的位置预测输出表达式；

步骤四，扰动观测器的设计：通过测量得到的位置信息，针对匹配与非匹配干扰，分别设计对应的扰动观测器；

步骤五，复合控制器的设计：利用观测得到的扰动信息，结合广义预测，分别从前馈和反馈控制出发，设计对应的复合控制方案；

所述步骤一中动态数学模型的建立以及步骤二中定义滚动优化性能指标的具体方法如下：

外骨骼机器人柔性作动器的动态数学模型为：

a_l＝k/J_l，a_m＝k/J_m，b_m＝1/J_m，J_m和J_l代表电机和连杆的质量，θ_m和θ_l代表电机和连杆的角度；u是电机转矩，k是弹簧的刚度；d₁(t)和d₂(t)分别是电机和负载端的干扰；为a_l(t)，a_m(t)，b_m(t)的标称值，然后上式可以改写为：

且

柔性作动器的优化指标，代价方程为：

其中T0是预测周期，θ_r(t)是期望的参考位置信号；

所述步骤三中输出位置预测基于泰勒级数展开后如下式：

通过选择使用Taylor的前四项，在上式中的基础上，如下构造预测值θ_l和θ_r：

其中和分别是θ_l和θ_r的预测位置；和分别是ω_l,ω_m,和的估计值；

所述步骤四中扰动观测器的设计具体如下:

通过测量得到的位置信息，针对匹配与非匹配干扰，分别设计对应的扰动观测器；

其中p_l0是扰动观测器的带宽，此时不成立；为了实现扰动观测器，定义和然后得到扰动观测器：

其中，电机端扰动的观测方程为：

其中p_m0是干扰观测器的带宽，设和然后得到扰动观测器:

基于外骨骼机器人柔性作动器的复合控制器的设计具体如下：

通过公式(5)中得到的位置预测值，公式(3)中的性能指标函数可以进一步写成：

其中★代表独立的控制量u，注意到，

令从公式(8)中可得优化后的控制器为：

所述复合控制器包括用于估计集总扰动的两个降阶扰动观测器(RDOB)和广义预测控制器，干扰观测值被用于广义预测控制器的设计当中。