[发明专利]一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法

权利要求书

1.一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括液压缸(1)、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、第一杆件(4)、第二杆件(5)、绷带(6)、电液伺服阀、伺服放大板、实时控制器；所述第一杆件(4)和第二杆件(5)通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器(2)；液压缸(1)的一端与第一杆件(4)铰接，另一端与第二杆件(5)铰接；力传感器(3)设置在第二杆件(5)上，绷带(6)与力传感器(3)相连；液压缸(1)与电液伺服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器(2)和力传感器(3)均与实时控制器相连；其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；

(2)将单关节助力外骨骼第一杆件(4)和第二杆件(5)旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器(2)，将关节旋转编码器(2)的数值调零；

(3)初始化位于第二杆件(5)上的力传感器(3)，将力传感器(3)的数值调零；

(4)建立单关节助力外骨骼的物理模型，并将其转化为状态方程，所述物理模型包括：人机接口模型、液压缸负载运动模型、液压缸两腔压力模型和电液伺服阀的流量模型；

(5)通过绷带(6)将人与外骨骼单关节上的力传感器(3)相连，测定力传感器上的作用力T_hm，测定安装在单关节外骨骼关节处的关节旋转编码器(2)得到关节实际角度值；

(6)将人机作用力T_hm和实际关节角度值作为反演自适应鲁棒力控制器的输入量，反演自适应鲁棒力控制器的输出为单关节助力外骨骼的控制电压u；

(7)通过电液伺服阀放大板将步骤(6)得到的控制电压u转化为电液伺服阀的控制电流；

(8)控制电流控制电液伺服阀的阀芯开口从而控制液压缸两端的压力，推动液压缸运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随；

所述步骤(4)具体步骤为：

建立单关节助力外骨骼的物理模型，所述物理模型包括：

人机接口模型：

液压缸负载运动模型：

液压缸两腔压力模型：

电液伺服阀的流量模型：

其中，T_hm是人机作用力，K是人机接口的刚度，q_h和q分别是人的位移和外骨骼的位移，是外骨骼的位移的一阶导数，为外骨骼的位移的二阶导数；是在人机接口上的集中模型不确定性和干扰，J是单关节助力外骨骼的转动惯量，h是液压缸输出力的力臂，P₁和P₂分别是液压缸两腔的压力，A₁和A₂分别是两腔的面积，m是负载质量，g是重力加速度，l_c是关节到力传感的距离，B是阻尼粘滞摩擦系数，A是未知的库仑摩擦系数，是用来拟合符号函数的光滑函数，是单关节助力外骨骼上的集中模型不确定性和干扰，V₁和V₂分别是液压缸两腔的体积，β_e是油液的体积弹性模量，Q₁,Q₂分别是进油流量和出油流量，分别是在进口和出口油路上的集中模型不确定性和干扰，x_v是阀芯位移，k_q1,k_q2分别是进出口的流量增益系数，P_s是泵的供油压力，P_r是出油口上的压力，u是电液伺服阀的控制电压；

由于人机接口模型是一个静态的方程，所以T_hm、q_h和q之间的关系是静态的，为了可以动态控制人机作用力T_hm，用人机作用力的积分来代替T_hm；

将物理模型转化为状态方程的步骤如下：

令状态变量其中，x₂＝q,x₄＝P₁,x₅＝P₂，

设集中模型不确定性为：

将集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，即其中，Δ_in为常数，Δ_i为时变函数；设其中，θ₁＝K,θ₂＝Δ_1n,θ₇＝Δ_3n,θ₈＝β_e,θ₉＝Δ_4n，则单关节助力外骨骼的物理模型的状态方程为：

x·2=x3---(6)]]>

其中：

2.根据权利要求1所述的一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法，其特征在于，所述步骤(6)具体步骤为：

设计反演自适应鲁棒力控制器的具体步骤为：

(6.1)令z₁＝x₁-x_1d，其中z₁是第一误差函数，x_1d为期望的人机作用力的积分，其值为0；

令z₂＝x₂-α₁，其中z₂是第二误差函数，第一虚拟控制输入α₁设计为：α₁＝α_1a+α_1s1+α_1s2K_1s1＝g₁||Γφ₁||²+K₁，K₁,g₁均是任意选取的非负数；其中是对参数θ₁，θ的估计值，根据物理模型，可以得到这个估计值的范围为：其中i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9，为对参数θ_i的估计值的最小值，为对参数θ_i的估计值的最大值；而这个估计值的值在反演自适应鲁棒力控制器中由自适应率得到，其中，τ₄是由步骤(6.4)得到，对角阵Γ＝diag(γ₁γ₂γ₃γ₄γ₅γ₆γ₇γ₈γ₉)，γ_i是任意非负数，其中i＝1,2,3,4,5,6,7,8,9；的映射函数为

其中·_i为自变量；

令τ₁＝w₁φ₁z₁，其中w₁是第一权重系数，其值为任意非负数；根据反演自适应鲁棒控制算法，α_1s2必须满足以下两个条件，即：

z1(-φ1Tθ~+Δ‾1+(-θ1α1s2))≤ϵ1-θ1z1α1s2≤0]]>

其中，ε₁是第一阈值，其值为任意非负数；

(6.2)令z₃＝x₃-α₂，其中z₃是第三误差函数，第二虚拟控制输入α₂设计为：α₂＝α_2a+α_2s1+α_2s2，其中α_2s1＝-k_2s1z₂，g₂,d₂,k₂均是增益量；设τ₂＝τ₁+w₂φ₂z₂，其中w₂是第二权重系数，其值为任意非负数；

根据反演自适应鲁棒控制算法，α_2s2必须满足以下两个条件，即：

z2(-φ2Tθ~+Δ‾2+α2s2)≤ϵ2z2α2s2≤0]]>

其中，ε₂是第二阈值，其值为任意非负数；

(6.3)令z₄＝A₁x₄-A₂x₅-α₃，其中z₄是第四误差函数，第三虚拟控制输入α₃设计为：α₃＝α_3a+α_3s1+α_3s2，其中，w₃是第三权重系数，其值为任意非负数，其中，g₃,d₃,k₃均是增益量，

令τ₃＝τ₂+w₃φ₃z₃，根据反演自适应鲁棒控制算法，α_3s2必须满足以下两个条件，即：

z3(-φ3Tθ~+Δ‾3-θ3hα3s2)≤ϵ3-z3θ3hα3s2≤0]]>

其中，ε₃是第三阈值，其值为任意非负数；

(6.4)设其中z₅是第五误差函数，第四虚拟控制输入α₄设计为：α₄＝α_4a+α_4s1+α_4s2，其中，w₄是第四权重系数，其值为任意非负数；其中，g₄,d₄,k₄均是增益量，设τ₄＝τ₃+w₄φ₄z₄，得到的τ₄用于(6.1)中的自适应率，得到估计的参数

根据反演自适应鲁棒控制算法，α_4s2必须满足以下两个条件，即：

z4(-φ4Tθ~+Δ‾4+θ9α4s2)≤ϵ4z4θ9α4s2≤0]]>

其中，ε₄是第四阈值，其值为任意非负数；

根据第四虚拟控制输入α₄，得到电液伺服阀的控制电压u为：

u=α4A1V1kq1|ΔP1|+A2V2kq2|ΔP2|.]]>