[发明专利]康复步行训练机器人的人机互作用力辨识及控制方法

说明书

本发明公开了一种康复步行训练机器人的补偿人机互作用力的辨识控制方法。针对康复步行训练机器人动力学模型中的广义控制输入力，将其分解为跟踪控制力和人机互作用力，得到具有人机互作用力的系统动力学模型；把人机互作用力作为系统的扩展状态，利用机器人的实时位置输出，设计定常增益和时变增益相结合的系统观测器，估计人机互作用力；基于状态观测误差以及轨迹跟踪误差和速度跟踪误差设计Lyapunov函数，使观测误差系统及跟踪误差系统实现渐近稳定。该控制方法通过设计新颖的系统扩展状态观测器，获得了人机互作用力，并利用补偿控制，消除了人机互作用力对跟踪性能的影响，提高了康复步行训练机器人的跟踪精度和系统的安全性。

技术领域

本发明属于轮式康复机器人的控制领域，尤其涉及一种康复步行训练机器人的人机互作用力辨识及控制方法。

背景技术

随着全球进入老龄化，高龄人口逐年增加，由于老年人腿部肌肉力量的减弱，导致步行功能逐渐下降，如果不及时加强老年人步行训练，会导致步行功能的丧失，从而无法实现自立生活。因此，发展康复步行训练机器人，使其精确跟踪医生指定的训练轨迹，帮助老年人安全地步行锻炼具有重要意义。

近年来，关于康复步行训练机器人轨迹跟踪控制方法已有许多研究成果，然而这些成果都没有考虑人机之间的互作用力。康复步行训练机器人直接与康复者接触，康复者对支撑身体重量机构的压力、腿部的主动步行力，这些人机之间的互作用力会导致机器人严重偏离医生指定的训练轨迹，不仅使机器人可能碰撞周围物体，而且会使机器人与康复者的运动不协调，从而威胁康复者的安全。因此，不考虑人机互作用力的跟踪控制方法在实际应用中均具有一定的局限性。由于人机互作用力是时变量，在实际应用中很难直接获得，这样给康复步行训练机器人跟踪控制器的设计带来了难度。本发明研究人机互作用力的观测方法和补偿人机互作用力的控制方法，对提高康复步行训练机器人的跟踪精度和安全性具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种具有定常增益和时变增益相结合的人机互作用力观测方法，以及对人机互作用力进行补偿的跟踪控制方法，从而提高康复步行训练机器人的跟踪精度和安全性。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明包括以下步骤：

步骤1)基于康复步行训练机器人系统动力学模型，将广义输入力分解为跟踪控制力和人机互作用力，得到具有人机互作用力的机器人系统动力学模型；系统动力学模型描述如下

其中

X(t)为康复步行训练机器人的实际行走轨迹，u(t)表示广义控制输入力，M表示康复步行训练机器人的质量，m表示康复者的质量，I₀表示转动惯量，为系数矩阵；θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ₁，由康复步行机器人结构可知，θ₃＝θ+π，l_i表示系统重心到每个轮子中心的距离，r₀表示中心到重心的距离，φ_i表示x′轴和每个轮子对应的l_i之间的夹角，λ_i表示重心到每个轮子的距离，i＝1,2,3,4；符号将u(t)分解为u₀(t)和u₁(t)并代入模型(1)，得

其中u₀(t)表示待设计的跟踪控制力，用于驱动康复步行训练机器人跟踪医生指定的训练轨迹；u₁(t)表示待观测的人机互作用力；令X(t)＝x₁(t)表示机器人的运动位置，表示机器人的运动速度，表示系统的扩展状态，于是得到具有人机互作用力的机器人系统动力学模型如下