自适应鲁棒（ARC)控制算法，a 2s2必须满足以下两个条件，即： CN 105116728 A 说明书 10/11 页
[0097] 其中，ε 2是第二阈值，其值为任意非负数，本实施例中设定为1，但不限于1，选取 Q 2s2= 〇 ；
[0098] (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
，.
?3是第三权重系数，其值为任意非负数，本 实施例中设定为1，但不限定于1，_
其中，g3, d3,1^3均 是增益量，其值任意选取，在本实施例中，选取
，
[0099] 令53 = Δ3，Γ3 = Γ2 + W3^3，根据反演自适应鲁棒（ARC)控制算法，a 3s2必须满足以 下两个条件，即：
[0101] 其中，ε3是第三阈值，其值为任意非负数，本实施例中设定为1，但不限于1，选取
Q 3s2= 〇 ；
[0102] (6.4)设 其中25是第五误差函数，第四虚拟控制输入α 4 设计为：α 4= a 4a+ a 4sl+ a 4s2，
其 中，
^是第四权重系数， 其值为任意非负数，本实施例中设定为1，但不限定于1
中，g4, d4, k4均是增益量，其值任意选取，在本实施例中，选取
=τ3+￥4φ4ζ4，得到的τ4用于（6. 1)中的自适应率，得到估计的参数I;
[0103] 根据反演自适应鲁棒（ARC)控制算法，a 4s2必须满足以下两个条件，即：
[0105] 其中，ε4是第四阈值，其值为任意非负数，本实施例中设定为1，但不限于1，选取 Q 4s2= 〇 ；
[0106] 根据第四虚拟控制输入α4，得到伺服阀的控制电压U为：
[0108] (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；
[0109] (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。
[0110] 以上描述了本发明的基本原理，主要特征，并非限制本发明所描述的技术方案，一 切不脱离发明精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 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、实时控制器等；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，绑带（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伺服阀的流量模型； (5) 通过绑带（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Thni，测定安装在单关节外骨骼关节处的关节编码器（2)得到关节实际角度值； (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; (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； (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。2. 根据权利要求1所述的一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法，其特 征在于， 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：伺服阀的流量模型： CN 105116728 A _权利要求书_ _2/5页其中，Thni是人机作用力，K是人机接口的刚度，qjPq分别是人的位移和外骨骼的位 移，4是外骨骼的位移的一阶导数，存为外骨骼的位移的二阶导数；4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，Pi 和匕分别是液压缸两腔的压力，A:和A2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，是用 来拟合符号函数_@的光滑函数，M0 =iarctan(9〇〇(i)，Z5 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，0e是油液的体积弹性模量，Qi，92分别是进油流量和出油流量，jn，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，Ps是栗的供油压力，P, 是出油口上的压力，u是伺服阀的控制电压； 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来代替Thni; 将物理模型转化为状态方程的步骤如下：Lr：l： ^ 2 J3.根据权利要求1所述的一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法，其特 征在于，所述步骤6具体步骤为： 设计反演自适应鲁棒（ARC)力控制器的具体步骤为： (6. 1)令Zl=xi-Xld，其中Zl是第一误差函数，xld为期望的人机作用力的积分，其值为 〇 ； 令z2=x2_ai，其中22是第二误差函数，第一虚拟控制输入a1设计为：a1= aia+aisi+ais：sl = g i I I F 伞 i I 12+1， K1>gl均是任意选取的非负数；其中外々是对参数0:，0的估计值，根据物理模型，可 以得到这个估计值的范围为：|._1$|^_,其中1 = 1，2,3,4,5,6,7,8,9,6_为对 参数9 估计值4的最小值，4?为对参数9i的估计值》，的最大值；而这个估计值 & 6的值在反演自适应鲁棒（ARC)力控制器中由自适应率4=Pr〇jyrr4)得到，其中，I由步骤（6.4)得到，对角阵r=diag(Y1 丫2 丫3 丫4 丫5 丫6 丫7h 是任意非负数，其中 1 = 1，2,3,4,5,6,7,8,9;|的映 射函数为令我0 0 〇 〇 0 〇 〇 〇]r +否，其中Wl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，als2必须满足以下两个条 件，即：
【专利摘要】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。
【IPC分类】G05B13/04
【公开号】CN105116728
【申请号】CN201510501052
【发明人】姚斌, 陈珊, 朱世强, 宋扬, 严水峰, 朱笑从, 裴翔, 张学群, 潘忠强, 贺静
【申请人】上海申磬产业有限公司, 浙江大学
【公开日】2015年12月2日
【申请日】2015年8月14日