[发明专利]一种下肢外骨骼机器人的控制方法

摘要

本发明为一种下肢外骨骼机器人的控制方法。该方法将电机和能量收集装置双驱动系统，视为干扰+主控驱动器的组合，通过把能量回收装置所提供助力带来的不确定性干扰和模型不确定性干扰组成系统的集中总干扰，利用有限时间收敛干扰观测器估计系统中存在的集中总干扰，补偿到非奇异终端滑模控制器中，从而获得电机的控制力矩，完成对电机驱动系统的控制。本发明利用极限学习机通过脚底压力和关节角度角速度在线计算能量收集装置所收集到的能量，利用所估算的能量和外骨骼姿态来计算能量收集装置所释放时间，完成对能量收集装置的控制，补充电机峰值力矩输出。

主权项

1.一种下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步，嵌入式单片机利用股部压力传感器分别采集股部与股前侧支撑板、股后侧支撑板之间的接触力Fg1、Fg2、Fg3、Fg4；利用胫部压力传感器分别采集胫部与胫前侧支撑板、胫后侧支撑板之间的接触力Fj1、Fj2、Fj3、Fj4；然后根据下述公式(1)‑(4)，得到反映穿戴者运动意图轨迹的膝关节期望角度信号qd；其中，ELM输入为x＝[Fg1、Fg2、Fg3、Fg4、Fj1、Fj2、Fj3、Fj4]'，输出qd＝f(x)函数为:在输出层，输出节点的数目表示为1；H＝[h1,...,hL]T(隐藏层中隐藏节点的数目表示为L)表示隐层与输出的输出向量之间的非线性特征映射，β＝[β1,...,βL]T是输出权值矩阵；给定输入向量，隐藏节点的输出可以表示为：hi(x)＝G(ai,bi,x),ai∈Rd,bi∈R     (2)G(ai,bi,x)函数为sigmoid函数：最终得到输出加权矢量H；在(4)中，是隐藏层输出矩阵：第二步，嵌入式单片机分别利用股部陀螺仪和加速度传感器、胫部陀螺仪和加速度传感器采集股部和胫部的加陀螺仪和加速度信息Gyrog、Accg、Gyroj、Accj，将上述信息利用互补滤波算法得到膝关节角度值q；利用足底压力传感器采集足底压力值Fs；能量收集估计器利用Fs和q估计得到一个步态周期中所收集到的能量E；嵌入式单片机将计算得到的E值与正常步态(1.1m/s)下一个步态周期中所收集到的能量E0比较，通过电磁推杆控制棘爪的释放时间t，来控制能量收集装置的触发；正常步态周期下能量收集装置的触发时间为t0，如果收集到的能量比E0大则早于时间t0释放，如果收集到的能量比E0小则晚于时间t0释放；步骤二中的能量收集估计器算法与步骤一中运动意图预测器所采用的算法一致，均为ELM，在步骤二中的极限学习机输入为x＝[Gyrog、Accg、Gyroj、Accj]'，输出为E＝f(x)；第三步，计算下肢外骨骼动力学模型数学描述表达式：其中D为由能量回收装置所提供助力带来的不确定性干扰和模型不确定性干扰组成的系统的集中总干扰；第四步，干扰观测器(即下述公式(6)‑(8))估计系统中集中总干扰D，得到估计值利用对非奇异终端滑模控制器的输出控制力拒τ进行补偿；其中，其中为干扰观测器的输出，z是为便于干扰观测器的设计而定义的辅助变量；L₁、L₂、L₃为待设计的观测器增益矩阵，L₁＝diag(l₁₁，l₁₂)，L₂＝diag(l₂₁，l₂₂)，l₂＝min{l_2i}且l₂≥||D||，L₃＝diag(l₃₁,l₃₂)，l_1i,l_3i＞0，0＜p＜1；选择李雅普诺夫函数为：对V0求导并结合式(7)和(5)，得到由于l2≥||D||，方程(10)可以重写为其中l1＝min{l1i}，l3＝min{l3i}；对于外骨骼动力学模型(5)，若存在连续可微的正定函数V(x):D→Rⁿ和实数p＞0，q＞0，0＜r＜1，且存在一个包含原点的邻域使则原点局部有限时间稳定；若D0＝D＝Rn且V(x)径向无界，则系统(6)的原点全局有限时间稳定，到达时间根据上述公式(12)‑(13)易知对于t≥t1，V0≡0，其中，当t≥t₁时得到z＝0，从而可得t≥t₁时，定义干扰估计误差由式(5)‑(8)得从方程(15)得干扰估计误差有限时间收敛到零，即第五步，通过非奇异终端滑模控制器计算下肢外骨骼模型中的控制力拒τ；通过步骤三中建立的下肢外骨骼动力学模型‑即公式(5)，定义跟踪误差e(t)＝qd(t)‑q(t)，设计具有较快收敛速度且不会出现奇异点的非奇异终端滑模函数s其中，s＝[s1,s2]T，A＝diag(a1,a2)，B＝diag(b1,b2)，γ1＝diag(γ11,γ12)，γ2＝diag(γ21,γ22)，ai＞0，bi＞0，1＜γ2i＜2，γ1i＞γ2i；滑模函数的微分为：将公式(5)代入上式，得用公式(6)‑(8)提出的干扰观测器估计集总干扰对控制器进行补偿，非奇异终端滑模控制器为其中K1＝diag(k11,k12)，K2＝diag(k21,k22)，k1i＞0，k2i＞0，0＜ρ＜1；考虑下肢外骨骼动力学模型‑即公式(5)，终端滑模形式的干扰观测器设计为(6)‑(8)，如果控制律设计为(20)，则轨迹跟踪误差有限时间收敛到零；选择李雅普诺夫函数对V1微分得将式(19)代入式(22)，得将式(20)代入式(23)，得结合式(16)，当t≥t1时，有其中，当时，K₁、K₂为正定对角矩阵；其中k1＝min{k1i}＞0，k2＝min{k2i}＞0；结合式(21)，则式(26)为根据下述公式(28)，确定下肢外骨骼动力学模型跟踪误差可以在有限时间内到达滑模面s＝0；到达滑模面的时间为t≤‑ln((k1V1(1‑ρ)/2+2(ρ‑1)/2k2)/2(ρ‑1)/2k2)/(k2(1‑ρ)    (28)当时，将式(17)代入式(1)，考虑得第六步，嵌入式单片机将非奇异终端滑模控制器计算得到的控制输入值τ，转化为电机驱动系统需要的占空比输入信号，电机驱动系统控制电机旋转的方向和速度，带动膝关节从动体位置的齿轮，驱动膝关节运行，完成对整体外骨骼结构的控制。