[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

说明书

本发明公开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，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，构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型；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，并将干扰消除，能够估计出上肢外骨骼系统模型中耦合项和各种不确定因素引起的总扰动并加以补偿，针对上肢外骨骼系统中不确定因素具有较强鲁棒性。

技术领域

本发明属于上肢外骨骼系统协同随动控制技术领域，具体涉及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。

背景技术

随着人口老龄化问题的日益严峻与社会对于康复医疗问题的重视程度的增加，可穿戴的外骨骼机器人已经成为了当前研究的重点与热点，在抢险救灾、医疗康复、助力助行、国防军事等多个领域发挥重要作用。

传统的机器人通常是操作手末端的位置和姿态来实现机器人的控制，在整个控制过程中，需要知道操作手与目标位置，并通过逆运动学解算关节角度，对角度进行轨迹规划，计算出角速度和角加速度。最后，将相关角度信息带入动力学方程解算出关节所需的力矩，通过执行器驱动机器人的运动，从而实现机器人的位置控制。与传统机器人的控制不同，上肢外骨骼是人机一体系统，需要操作者实时做出运动决策，外骨骼系统只需负责执行相应的动作。上肢外骨骼系统控制目的是跟随操作者的运动，且给操作者提供部分助力。

操作者在穿戴上肢外骨骼系统完成搬运托举的过程中，外骨骼系统在给操作者提供助力的同时，还需要跟随操作者手部运动，且不能阻碍操作者手部的运动。要达到良好的随动控制效果，选择适合的控制策略与控制方法具有重要的意义。传统的机械臂使用力/位置控制、PD控制等方式，这些控制方式无法有效的控制机械臂与环境的交互。在产生偏差时，会由于缺乏柔顺性使机械臂在移动旋转等过程中超过期望值。尤其是PD控制在与不同环境切换过程会造成系统不稳定。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供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

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

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，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，构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型；

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。

进一步地，所述步骤S1中，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；

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)