[发明专利]欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置

权利要求书

1.一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述欠驱动液压单腿助力外骨骼包括：

脚部；

第一杆件，其底端与所述脚部连接；

第二杆件，其底端与所述第一杆件的顶端转动连接；

膝关节液压缸，其用于驱使所述第一杆件与所述第二杆件产生相对转动；

膝关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的上腔；

膝关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的下腔；

膝关节编码器，其安装在所述膝关节液压缸上，并用于驱动所述膝关节液压缸；

背板，其与所述第二杆件的顶端转动连接；

髋关节液压缸，其用于驱使所述背板与所述第二杆件产生相对转动；

髋关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的上腔；

髋关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的下腔；

髋关节编码器，其安装在所述髋关节液压缸上，并用于驱动所述髋关节液压缸；

力传感器，其安装在所述背板上；

背部绑带，其两端连接在所述背板上端；

腰部绑带，其两端连接在所述背板下端；以及

实时控制器，其与所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸、所述膝关节编码器、所述髋关节编码器以及所述力传感器电性连接；所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸均通过一个液压驱动器进行驱动；

其中，所述自适应鲁棒控制方法包括以下步骤：

(1)初始化所述实时控制器的采样周期；

(2)将所述脚部旋转至水平，将所述第一杆件、所述第二杆件以及所述背板旋转至竖直位置，并初始化所述膝关节编码器和所述髋关节编码器且将驱动器数值调零；

(3)初始化所述力传感器，将所述力传感器的数值调零；

(4)建立所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将所述物理模型转化为状态方程；其中，所述物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、所述液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型；

(5)通过所述背部绑带将所述力传感器与穿戴者相连，并测定所述力传感器上的作用力，通过上层控制器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移；

(6)通过所述膝关节编码器和所述髋关节编码器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到所述背板接触处的实际位移；根据步骤(5)得到的参考位移，将所述实际位移和所述参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，所述中层位置跟踪控制器的输出为所述欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩；

(7)通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；将步骤(6)得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将所述期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，所述下层控制器的输出为所述液压驱动器的流量，并将所述流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压；

(8)通过膝关节电液伺服阀的放大板和髋关节电液伺服阀的放大板将步骤(7)中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流；以及

(9)通过各个控制电流控制对应的所述膝关节电液伺服阀和所述髋关节电液伺服阀的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动；

其中，所述人机接口模型为：

其中，F_hm＝[F_hmx F_hmy τ_ez]^T为人机作用力，x,y,z分别为表示三维坐标轴符号，τ_ez为力矩，F_hmx、F_hmy分别为人机作用力在x、y方向上的分量；K＝diag{K_x,K_y,K_z}为人机接口的刚度，K_x、K_y、K_z分别为人机接口的刚度在x、y、z方向上的分量，x_h＝[x_hx x_hy x_hz]^T和x_e＝[x_ex x_eyx_ez]^T分别为所述背板接触处穿戴者的位移和所述外骨骼的位移，x_hx、x_hy、x_hz分别为所述背板接触处穿戴者的位移在x、y、z方向上的分量，x_ex、x_ey、x_ez分别为所述外骨骼的位移在x、y、z方向上的分量；为在人机接口上的集中模型不确定性和干扰；

在转化所述物理模型时，通过人机作用力的积分代替F_hm，得到所述状态方程为：

所述运动模型为：

式中，F_hm＝[F_hmx F_hmy τ_ez]^T为接触点的人机作用力，τ_act＝[τ₂ τ₃]为所述关节期望驱动力矩，τ₂、τ₃分别为膝关节和髋关节的期望驱动力矩，J为系统在所述力传感器处的雅可比矩阵，q(t)＝[q₁(t),q₂(t),q₃(t)]^T分别为踝关节、膝关节和髋关节的转动角度，M_sp3(q)是系统的惯性矩阵，是系统的离心力和科氏力矩阵，G_sp3(q)为系统的重力矩阵，B是系统的阻尼矩阵，是系统的集中建模误差；

所述运动模型进一步转化为：

式中，

所述完整约束模型为：

x_ez＝x_ezd(t)

其中，x_ezd(t)为背板接触处z方向上期望的外骨骼位移；

对所述完整约束模型求二阶导数：

求出和τ_ez，最终可得到：

式中，x_ea＝[x_ex x_ey]^T,M_ea＝u₁M_xu₄,B_ea＝u₁J^-Tu₃,C_ea＝u₁C_xu₄,G_ea＝u₁G_x,B_xea＝u₁B_xu₄,M_ea2＝u₂M_xu₄,C_ea2＝u₂C_xu₄,G_ea2＝u₂G_x,B_xea2＝u₂B_xu₄,B_ea2＝-u₂J^-Tu₃,u₂＝[0 0 1],