一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制 的方法。
【背景技术】
[0002] 军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体 造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐 力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行 走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合 发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。 外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸 的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸设备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应 用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以 帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复 部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研 究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交 互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性 问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁 棒力控制的方法，该方法能实现有效、可靠人机间交互，并能对人体运动意图进行快速响 应。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：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、关节旋转编码器、力传感 器、第一杆件、第二杆件、绷带、电液伺服阀、伺服放大板、实时控制器等；所述第一杆件和第 二杆件通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器；液压缸的一端与第一杆件铰接，另一 端与第二杆件铰接；力传感器设置在第二杆件上，绑带与力传感器相连；液压缸与电液伺 服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器和力传感器均与实 时控制器相连；该方法包括如下步骤：
[0005] (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；
[0006] (2)将单关节助力外骨骼第一杆件和第二杆件旋转至平行位置，此时，初始化单关 节助力外骨骼上的关节旋转编码器，将关节旋转编码器的数值调零；
[0007] (3)初始化位于第二杆件上的力传感器，将力传感器的数值调零；
[0008] (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伺服阀的流量模型；
[0009] (5)通过绑带将人与外骨骼单关节上的力传感器相连，测定力传感器上的作用力 Thni，测定安装在单关节外骨骼关节处的关节编码器得到关节实际角度值；
[0010] (6)将人机作用力Thni和实际关节角度值作为反演自适应鲁棒（ARC)力控制器的 输入量，反演自适应鲁棒（ARC)力控制器的输出为单关节助力外骨骼的控制电压u ;
[0011] (7)通过伺服阀放大板将步骤6得到的控制电压u转化为伺服阀的控制电流；
[0012] (8)控制电流控制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。
[0013] 进一步地，所述步骤4具体步骤为：
[0014] 建立单关节助力外骨骼的物理模型，所述物理模型包括：
[0015] 人机接口模型：
[0019] 其中，Thni是人机作用力，K是人机接口的刚度，q 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；A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， PJP P 2分别是液压缸两腔的压力，A廊A 2分别是两腔的面积，m是负载质量，g是重力加速 度，1。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，.Slg)是用 来拟合符号函数SgO^)的光滑函数，及2是单关节助力外骨骼上的 集中模型不确定性和干扰，VJPV2分别是液压缸两腔的体积，β e是油液的体积弹性模量， Q1, 92分别是进油流量和出油流量，I1，I: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，kql，kq2分别是进出口的流量增益系数，P s是栗的供油压力，Pr是出油口上的压力，u是伺服阀的控制电压；
[0020] 由于人机接口模型是一个静态的方程，所以Thni、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Thni，用人机作用力的积分?>Α,"来代替Thn;
[0021] 将物理模型转化为状态方程的步骤如下：
[0023] 将集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，即= Δ," + Δ;:，? = u，4 ,其 中，δ ιη为常数，Δ i为时变函数；设
其中，
，则单 关节助力外骨骼的物理模型的状态方程为：
[0032] 进一步地，所述步骤6具体步骤为：
[0033] 设计反演自适应鲁棒（ARC)力控制器的具体步骤为：
[0034] (6. 1)令Z1= X「xld，其中Z1是第一误差函数，X ld为期望的人机作用力的积分，其 值为〇 ;
[0035] 令Z2= X 2_α i，其中知是第二误差函数，第一虚拟控制输入a 1设计为：a 1
K1,gl均是任意选取的非负数；其中秦：I是对参数θρ θ的估计值，根据物理模型，可 以得到这个估计值的范围为：
其中i = 1，2,3,4,5,6,7,8,9, 为对 参数Θ i的估计值_的最小值，为对参数Θ i的估计值_的最大值；而这个估计值 卷I的值在反演自适应鲁棒（ARC)力控制器中由自适应率i)=Pmj,;(「r4)得到，其中，
,丁4是由步骤（6.4)得到，对角阵Γ =diag(y i Y2 Y3 Y4 Ys Y6 Y7 Y8 Y9)，Y i是任意非负数，其中 i = 1，2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 ; I 的 映射函数为
[0037]令娉=.[-%!. i Q 0 :0 0.0 O :对十興3為=W1^Z1 ,其中《^是第一权 重系数，其值为任意非负数；根据反演自适应鲁棒（ARC)控制算法，a ls2必须满足以下两个 条件，即：
[0039] 其中，#=春右，E1是第一阈值，其值为任意非负数；
[0040] (6. 2)令Z3= X 3_ α 2，其中~是第三误差函数，第二虚拟控制输入α 2设 计为：α2= a 2a+a2sl+a2s2，其中
+ ? g2, d2,1<:2均是增 益量；设4 十，其中W2是第二权重系数，其值为任意非负数；
[0041] 根据反演自适应鲁棒（ARC)控制算法，a 2s2必须满足以下两个条件，即：
[0043] 其中，ε2是第二阈值，其值为任意非负数；
[0044] (6. 3)令Z4= A J4-A2X5-α 3，其中24是第四误差函数，第二虚拟控制输入α 3 设计为：
，
1=1?，W3是第二权重系数，其值为任意 非负数，
κ 其中，g3，d3，k3均是增益量，
[0045] 令A3 = Δ3，γ3 = r2 + w303z3，根据反演自适应鲁棒（ARC)控制算法，a 3s2必须^两足以 下两个条件，即：
[0047] 其中，ε3是第三阈值，其值为任意非负数；
[0048] (6. 4)
:其中Z5是第五误差函数，第四虚拟控制输入α 4 设计为
W4是第四权重 系数，其值为任意非负数；
，其中，g4，d4，k 4均是增益量，设
4= τ J