一種單關(guān)節(jié)助力外骨骼自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種單關(guān)節(jié)助力外骨骼自適應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制 的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 軍隊(duì)士兵經(jīng)常需要背負(fù)重物進(jìn)行長距離行走或作戰(zhàn)，過重的負(fù)載常會(huì)對士兵身體 造成一定的傷害，在這種背景下，需要開發(fā)一款能在戰(zhàn)場環(huán)境中增強(qiáng)士兵速度、力量以及耐 力的外骨骼裝備；在科考、消防營救等領(lǐng)域，科考人員及消防營救人員常常需要長距離行 走、背負(fù)重物、運(yùn)送傷員、野外作戰(zhàn)、登山探險(xiǎn)等，傳統(tǒng)的輪式交通工具難以在這些特殊場合 發(fā)揮作用。除此之外，外骨骼也可以被用于倉庫的貨物裝卸，以減輕搬運(yùn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 外骨骼與人的組合能適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境，擁有極好的靈活性，可以完成一些復(fù)雜的裝卸 的工作，如為戰(zhàn)斗機(jī)裝卸導(dǎo)彈等，這是其他的裝卸令備難以比擬的。外骨骼在這些領(lǐng)域的應(yīng) 用將對這些領(lǐng)域起到非常積極的作用。另外，老齡化正在全球蔓延，外骨骼的出現(xiàn)不僅可以 幫助一些老年人解決體力較差、行走不變的問題，也可以幫助一些喪失行動(dòng)能力的人恢復(fù) 部分的行動(dòng)能力。助力外骨骼的特點(diǎn)是要求在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下與穿戴者進(jìn)行協(xié)作，這要求研 究人員需要解決非結(jié)構(gòu)性環(huán)境下高度協(xié)調(diào)的人機(jī)一體化問題，包括有效、可靠的人機(jī)間交 互問題，對人體運(yùn)動(dòng)意圖的快速響應(yīng)問題，輕便、靈活的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，人機(jī)系統(tǒng)的安全性 問題等，這些技術(shù)問題還處于初級(jí)摸索階段，并不成熟，還需要進(jìn)行深入的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種單關(guān)節(jié)助力外骨骼自適應(yīng)魯棒級(jí) 聯(lián)力控制的方法，該方法在人機(jī)間交互問題上有效、可靠，并具有對人體運(yùn)動(dòng)意圖快速響應(yīng) 的特點(diǎn)。
[0004] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種單關(guān)節(jié)助力外骨骼自適 應(yīng)魯棒級(jí)聯(lián)力控制的方法，所述單關(guān)節(jié)助力外骨骼包括液壓缸、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器、力傳感 器、第一桿件、第二桿件、繃帶、電液伺服閥、伺服放大板、實(shí)時(shí)控制器等；所述第一桿件和第 二桿件通過鉸鏈連接，在鉸接處設(shè)置關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器；液壓缸的一端與第一桿件鉸接，另一 端與第二桿件鉸接；力傳感器設(shè)置在第二桿件上，綁帶與力傳感器相連；液壓缸與電液伺 服閥相連，電液伺服閥與伺服放大板相連，伺服放大板、關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器和力傳感器均與實(shí) 時(shí)控制器相連；該方法包括如下步驟：
[0005] (1)初始化實(shí)時(shí)控制器的采樣周期T，取T的值在10到20毫秒之間；
[0006] (2)將單關(guān)節(jié)助力外骨骼第一桿件和第二桿件旋轉(zhuǎn)至平行位置，此時(shí)，初始化單關(guān) 節(jié)助力外骨骼上的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器，將關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器的數(shù)值調(diào)零；
[0007] (3)初始化位于第二桿件上的力傳感器，將力傳感器的數(shù)值調(diào)零；
[0008] (4)建立單關(guān)節(jié)助力外骨骼的物理模型，并將其轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程，所述物理模型包 括：人機(jī)接口模型、液壓缸負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型、液壓缸兩腔壓力模型和伺服閥的流量模型；
[0009] (5)通過綁帶將人與外骨骼單關(guān)節(jié)上的力傳感器相連，測定力傳感器上的作用力 Thni，通過上層ARC控制器，得到平滑處理后的外骨骼參考位移X (1);
[0010] (6)通過關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)編碼器獲得外骨骼的實(shí)際角度值，根據(jù)步驟5得到的平滑處理 后的外骨骼參考位移χ(1)，將實(shí)際角度值和平滑處理后的外骨骼參考位移X(l)作為下層 ARC位置跟蹤控制器的輸入量，下層ARC位置跟蹤控制器的輸出為單關(guān)節(jié)助力外骨骼的控 制電壓u。
[0011] (7)通過伺服閥放大板將步驟6得到的控制電壓u轉(zhuǎn)化為伺服閥的控制電流。
[0012] (8)控制電流控制伺服閥的閥芯開口從而控制液壓缸兩端的壓力，推動(dòng)液壓缸運(yùn) 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單關(guān)節(jié)助力外骨骼的運(yùn)動(dòng)跟隨。
[0013] 進(jìn)一步地，所述步驟4具體為：
[0014] 建立單關(guān)節(jié)助力外骨骼的物理模型，所述物理模型包括：
[0015] 人機(jī)接口模型：
(1)
[0016] 液壓缸負(fù)載運(yùn)動(dòng)模型：
m
[0017] 液壓缸兩腔壓力模型：
(3；
[0018] 伺服閥的流量模型：
(4)
[0019] 其中，Thni是人機(jī)作用力，K是人機(jī)接口的剛度，qjP q分別是人的位移和外骨骼 的位移，#是外骨骼的位移的一階導(dǎo)數(shù)，奮為外骨骼的位移的二階導(dǎo)數(shù)；或是在人機(jī)接口 上的集中模型不確定性和干擾，J是單關(guān)節(jié)助力外骨骼的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，h是液壓缸輸出力的力 臂，PJP P 2分別是液壓缸兩腔的壓力，A JP A 2分別是兩腔的面積，m是負(fù)載質(zhì)量，g是重力加 速度，1。是關(guān)節(jié)到力傳感的距離，B是阻尼粘滯摩擦系數(shù)，A是庫侖摩擦系數(shù)，5^)是用來擬 合符號(hào)函數(shù)Sg〇(勿的光滑函數(shù)，只4) = iarctan(900di) , 0 2是單關(guān)節(jié)助力外骨骼上的集中 模型不確定性和干擾，1和V 2分別是液壓缸兩腔的體積，β e是油液的體積彈性模量，Q i，Q2 分別是進(jìn)油流量和出油流量，Dy 分別是在進(jìn)口和出口油路上的集中模型不確定性 和干擾，Xv是閥芯位移，k ql，kq2分別是進(jìn)出口的流量增益系數(shù)，P s是栗的供油壓力，P 1^是出 油口上的壓力，u是伺服閥的控制電壓；
[0020] 由于人機(jī)接口模型是一個(gè)靜態(tài)的方程，所以Thni、qh和q之間的關(guān)系是靜態(tài)的，為了 可以動(dòng)態(tài)控制人機(jī)作用力T hni，用人機(jī)作用力的積分來代替Thni;
[0021] 將物理模型轉(zhuǎn)化為狀態(tài)方程的步驟如下：
[0022] 令狀態(tài)變量
，其中，
設(shè)集 中模型不確定性為
，
[0023] 將集中模型不確定性分為常數(shù)和時(shí)變函數(shù)兩部分，即I = Affi + Δ;，? = 1,3,4 其 中，δ ιη為常數(shù)，Δ i為時(shí)變函數(shù)；設(shè)
，其 中，
，則單關(guān)節(jié)助力 外骨骼的物理模型的狀態(tài)方程為：
[0024]
(5>
[0025]
(6)
[0026]
/..7 \
[0027]
(8)
[0028] 其中：
[0029]
[0030] 進(jìn)一步地，所述步驟5中的上層ARC控制器控制方法如下：
[0031 ] 根據(jù)步驟4得到物理模型的狀態(tài)方程（5)，設(shè)第一跟蹤誤差Z1=X1-X ld，其中Xld為期 望的人機(jī)作用力的積分，取值為〇 ;設(shè)a i為第一虛擬控制輸入，該第一虛擬控制輸入α ^勺 作用是使人機(jī)作用力的第一跟蹤誤差Z1快速趨向于零，a i的確定方法如下：
[0032] 設(shè) α 1= a la+a lsl+a ls2，其中
， Klsl= g」I F1(J)1I「+Kp K1>gl均是任意選取的非負(fù)數(shù)；I1, 4是對參數(shù)θρ 02的 估計(jì)值，設(shè)β = [S1 θ 2 0 0 0 0 0 0 0]τ，根據(jù)物理模型，可以得到這兩個(gè)估計(jì)值 的范圍為：
：，其中錢_為對參數(shù)9屈估計(jì)值4的最小值，爲(wèi)_為 對參數(shù)Q1的估計(jì)值_的最大值，S2hmi為對參數(shù)％的估計(jì)值鳥的最小值，爲(wèi)_為 對參數(shù)92的估計(jì)值4的最大值；而這兩個(gè)估計(jì)值4，i的值在上層ARC控制器中 由自適應(yīng)率》=ΡΓε?·(ΓΛ)得到，其中，//=|P 4 〇 〇 0 0 〇 〇 0]'，Γ1 = 虹38(丫1丫2〇〇〇〇〇〇〇)，11=￥1巾121，其中％是權(quán)重系數(shù)，其值為任意非負(fù)數(shù) ； Φγ\-〇λ, ο ο 0 0 ο 0 ο 〇Γ+異，y i、υ2是任意非負(fù)數(shù)；#的映射函數(shù)為
[0033]
[0034] 設(shè)及_ = 4，根據(jù)ARC控制算法，a 1；32必須滿足以下兩個(gè)條件，即：
[0035]
[0036] 其中，歲=矣# , E1是閾值，其值為任意非負(fù)數(shù)；
[0037] 根據(jù)設(shè)計(jì)得到的第一虛擬控制輸入a i，將它通過一個(gè)四階濾波器進(jìn)行平滑處理， 得到外骨骼的參考位移、參考速度、參考加速度和參考加加速度；四階濾波器的狀態(tài)方程如 下：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 令y代表外骨骼參考位移，設(shè)y (s) = a i (s)，X (I)，X (2)，X (3)，X (4)分別代表平 滑處