[发明专利]基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法

说明书

本发明公开了一种基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法，属于外骨骼机器人系统领域。针对现有技术中存在的控制方法复杂，精度低，鲁棒性和抗干扰能力差的问题，本发明提供了一种基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法，首先，由系统的部分状态向量和全状态向量及输出，构建一个下三角非线性系统有限时间控制器；然后，通过有阻尼双质量系统的类比，忽略干扰，建立标称数学模型，并将其转变成外骨骼机器人作动器的状态空间模型；最后，利用有限时间控制器，结合状态空间模型来设计鲁棒有限时间控制律。该方案采取半全局而非全局控制，可以根据极点配置模式实现控制增益，提高了控制速度、增强了鲁棒性。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人领域，更具体地说，涉及基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法。

背景技术

外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算,为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术，是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。现有控制方法的安全性以及柔顺性有待提高，且由于机械结构的复杂性，如非线性摩擦力、间隙和机器人执行器的复杂性，使得外骨骼机器人的参数难以精确获得。此外，受试者的生理条件不同，其动态特性也会有所不同。所以目前的控制方法在系统存在动态和运动不确定性和未知干扰的情况下不具有自适应性。

中国专利申请，申请号CN202010132049.8，公开日2020年6月16日，公开了一种上肢康复外骨骼机器人自适应柔顺控制方法，属于机器人控制领域；所述控制算法由两部分组成：第一部分为导纳控制模块，设置为控制外环，可以建立患者和外骨骼之间交互力以及康复训练轨迹调节量之间的动态关系，使患者能够按照自己的主动意图来重塑康复训练的轨迹；第二部分为自适应滑模控制模块，设置为控制内环，用于实现对期望训练轨迹和位置调节量的准确跟踪控制，并且控制精度和系统稳定性很大一部分取决于内环位置控制。该方法控制精度高，对于系统的不确定性因素具有较强的鲁棒性和抗干扰能力，实时性好。其不足之处在于，该发明的模型预测控制在处理物理控制系统时的模型不确定性和干扰问题时都会遇到困难，且还需要进行大量的计算，不利于该方法的实现。

中国专利申请，申请号CN202010093076.9，公开日2020年6月12日，公开了一种外骨骼机器人多关节联合控制系统和方法，控制系统将全脚掌压力传感系统与肢体姿态传感系统的实时反馈信号输入到“多信号融合与解耦模型”，由模型对多种信号完成融合与解耦，并输出各类关节电机控制量，控制电机运转；运用神经网络搭建“多信号融合与解耦模型”，经过大量训练，生成具备多信号融合与解耦的成熟应用模型；根据控制系统中的人机交互传感系统对模型输出的各类关节电机控制量进行实时修正，起到辅助优化的作用，以达到外骨骼机器人的最佳穿戴效果；在关节电机控制方面，运用电机实时的电流闭环控制与位置(关节角度)闭环控制，实现电机的快速、精准控制。其不足之处在于，该方法涉及参数较多，计算量大，算法实现较复杂。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的外骨骼机器人控制方案复杂，精度低，鲁棒性和抗干扰能力差的问题，本发明提供了一种基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法，为了提高工程适用性采取半全局而非全局控制，可以根据极点配置模式实现控制增益，提高了控制速度、增强了鲁棒性。

2.技术方案

一种基于外骨骼机器人作动器的有限时间控制方法，包括以下步骤：

步骤1：由系统的部分状态向量、全状态向量和输出，构建一个下三角非线性系统有限时间控制器；

步骤2：通过有阻尼双质量系统的类比，忽略干扰，建立标称数学模型，并将其转变成外骨骼机器人作动器的状态空间模型；

步骤3：利用步骤1构建的有限时间控制器，结合步骤2中的状态空间模型来设计鲁棒有限时间控制律。

进一步的，下三角非线性系统有限时间控制器可表现为以下形式：