[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

摘要

本发明公开了一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法，针对液压缸驱动单关节助力外骨骼的增力和跟随问题，基于整体单关节助力外骨骼动力学模型，考虑不同层动力学之间的耦合作用，采用了反演控制器设计方法，克服了助力外骨骼传统级联控制带来的频宽限制，获得了更大的闭环频宽。本发明在外骨骼承担重物时最小化人机作用力以实现助力和跟随人运动，采用了反演自适应鲁棒力控制算法(ARC)，有效克服了单关节助力外骨骼系统的模型不确定性的影响，具有很好的鲁棒性能以及更快的闭环响应，实现了单关节外骨骼对人运动的良好跟随及助力效果，具有较强的应用价值。

主权项

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Thm，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Thm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，Thm是人机作用力，K是人机接口的刚度，qh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，lc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，βe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，xv是阀芯位移，kq1,kq2分别是进出口的流量增益系数，Ps是泵的供油压力，Pr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Thm、qh和q之间的关系是静态的，为了可以动态控制人机作用力Thm，用人机作用力的积分来代替Thm；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，Δin为常数，Δi为时变函数；设其中，θ1＝K,θ2＝Δ1n,θ7＝Δ3n,θ8＝βe,θ9＝Δ4n，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：