[发明专利]一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法

权利要求书

1.一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传感器，检测操作者对多维力传感器的人机相互作用力，将上肢外骨骼系统与人的相互作用力表示为惯性、阻尼与刚度的线性组合：

其中，F_hm为多维力传感器检测到的人机相互作用力，e是上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统实际位置之间的差值，M为惯性系数，B为阻尼系数，K为刚度系数；

构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型，对阻抗控制模型建模，考虑上肢外骨骼系统中人机接口的柔性特征，采用弹簧模型进行阻抗控制模型建模，人机接口动力学表达式如下：

F_hm＝K(p_h-p_m)

其中，K为刚度系数，p_h为操作者手部的位置，即上肢外骨骼系统期望位置，p_m为上肢外骨骼系统的末端位置，F_hm为多维力传感器检测到的人机相互作用力；

步骤S2、通过阻抗控制模型获取操作手末端的期望位置，由得到的期望位置计算出上肢外骨骼系统中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节角度；

步骤S3、通过自抗扰控制器估计上肢外骨骼系统的状态和干扰，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，通过自抗扰控制器将干扰消除；

所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、线性状态误差补偿和扰动补偿，获取操作者对多维力传感器的人机相互作用力，通过多维力传感器得到给定输入信号，通过跟踪微分器对给定输入信号的微分进行提取，确定适合上肢外骨骼系统中给定输入信号的过渡过程，使得上肢外骨骼系统跟踪过渡过程对应的输出信号；所述扩张状态观测器将上肢外骨骼系统的自身不确定性、外部及环境因素的干扰，转化成含有未知扰动的积分串联环节，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，通过线性状态误差补偿和扰动补偿进行实时补充，消除干扰；

通过跟踪过渡过程对应的输出信号，在噪声较大的情况下，将给定输入信号v输入到跟踪微分器，得到平滑的输入信号：

其中，v₁，v₂是输入信号的跟踪信号；k₁，k₂为跟踪信号系数；

上肢外骨骼系统设有二阶系统：

其中，x₁、x₂是上肢外骨骼系统的状态变量，y是上肢外骨骼系统的输出，u为上肢外骨骼系统的控制量，f(t)表示上肢外骨骼系统的不确定因素，b为控制量系数；

针对上肢外骨骼系统设计二阶线性的扩张状态观测器的形式如下；

其中，Z₁，Z₂是上肢外骨骼系统内部状态变量的实时估计值，Z₃是上肢外骨骼系统不确定因素的实时估计值，参数β₁、β₂、β₃是扩张状态观测器的系数，起到误差校正作用，b₀为控制量系数；

采用误差反馈线性组合方式也能取得良好的控制效果，为了避免对给定输入信号进行微分且使闭环传递函数成为不包括零点的二阶传递函数，状态误差反馈律可采用PD参数形式：

其中，e＝v₁-z₁为扩张状态观测器的观测误差，k_p、k_d是控制器增益，自抗扰控制是通过扩张状态观测器的观测量对控制信号进行扰动补偿，控制表达式为：

其中，b₀为控制量系数，u₀上肢外骨骼系统的初值，u为上肢外骨骼系统的控制量，z₃是上肢外骨骼系统不确定因素的实时估计值。