一种用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法

本发明涉及一种用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，属于仿真控制。

背景技术：

1、冰雪运动需要特定的场地，并伴随高速运动，在建立冰雪运动场地时，需要对场地进行测试，而真人测试容易造成损伤，通过仿生假人代替真人则是一种较好的方法。

2、冰雪运动需要进行动作学习和指导，采用仿生假人进行动作指导是一种有效的方法，能够解决教练不足的问题，并且做出标准的动作示范。

3、传统假人仅用于碰撞测试，从外观损坏情况推断对人体的危害程度，冰雪运动由于运动的特殊性，对假人踝关节运动、角度保持和高频转动做出了要求。

4、因此，需要对仿生假人踝关节控制方法进行研究，使得仿生假人踝关节能够精确的完成对期望轨迹信号的跟踪。

技术实现思路

1、为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，提出了一种用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，通过二连杆结构仿生假人踝关节，包括相铰接的小腿杆和脚掌杆，在脚掌杆上，与小腿杆连接端，设置有脚掌驱动电机，使得脚掌杆能够相对小腿杆转动；在小腿杆上，远离脚掌杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆与水平面的夹角能够变化；

2、通过在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在脚掌杆上设置传感器，以测量脚掌杆的角位置、角速率和角加速度；

3、根据期望角位置与测量角位置获得跟踪误差，通过滑模控制法使得跟踪误差快速收敛，实现仿生假人踝关节对期望轨迹的精确跟踪。

4、进一步地，在滑模控制法中，设置误差动力学模型为：

5、e1＝q-qd

6、

7、

8、其中，e1表示仿生假人踝关节的角位置跟踪误差向量，q表示测量获得的仿生假人踝关节的角位置，qd表示期望的角位置， m0(q)表示正定质量惯性矩阵的名义值，u表示控制输入力矩，表示未知扰动和噪声之和，表示哥氏力和重力之和的名义值，

9、角位置、期望角位置和控制输入力矩均包括小腿部和脚掌部，表示为：

10、q＝[q1,q2]t

11、qd＝[qd1,qd2]t

12、u＝[u1,u2]t

13、其中，小腿部角位置q1为脚掌杆的延长与水平线的夹角，脚掌部角位置q2为小腿杆的延长与脚掌杆的夹角，小腿部期望角位置qd1表示q1期望的角位置，脚掌部期望角位置qd2表示q2期望的角位置，u1表示小腿部的控制输入力矩，u2表示脚掌部的控制输入力矩。

14、进一步地，在滑模控制法中，滑模面设置为固定时间收敛非奇异终端滑模面。

15、在一个优选的实施方式中，设置滑模面s为：

16、

17、其中，α、β为设计参数。

18、在一个优选的实施方式中，在滑模控制法中，趋近律设置为：

19、

20、

21、μ为设计参数，为自适应参数。

22、进一步优选地，自适应参数的控制率设置为：

23、

24、其中，α0、α1、α2为设计参数。

25、进一步地，在滑模控制法中，控制律设置为：

26、

27、本发明另一方面还提供了一种仿生假人踝关节，包括小腿杆、脚掌杆和微处理器，

28、小腿杆和脚掌杆铰接形成二连杆结构，在脚掌杆上，与小腿杆连接端，设置有脚掌驱动电机，使得脚掌杆能够相对小腿杆转动；在小腿杆上，远离脚掌杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆与水平面的夹角能够变化；

29、在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在脚掌杆上设置传感器，以测量脚掌杆的角位置、角速率和角加速度；

30、所述微处理器根据上述优选方法之一对小腿驱动电机和脚掌驱动电机进行滑模控制。

31、本发明所具有的有益效果包括：

32、(1)不仅实现快速收敛，还规避了非奇异的问题，实现了高精度、高连续性控制，适用于冰雪运动等高速度运动下的控制；

33、(2)对于大角度变换跟踪速度快、效果好，适应冰雪运动中的急速变化运动。

技术特征：

1.一种用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，其特征在于，

8.一种仿生假人踝关节，其特征在于，包括小腿杆、脚掌杆和微处理器，

技术总结
本发明公开了一种用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，通过二连杆结构仿生假人踝关节，包括相铰接的小腿杆和脚掌杆，在脚掌杆上，与小腿杆连接端，设置有脚掌驱动电机；在小腿杆上，远离脚掌杆连接端，设置有小腿驱动电机；通过在小腿杆和脚掌杆上分别设置传感器以测量小腿杆、脚掌杆的角位置、角速率和角加速度；根据期望角位置与测量角位置获得跟踪误差，通过滑模控制法使得跟踪误差快速收敛，实现仿生假人踝关节对期望轨迹的精确跟踪。本发明公开的用于仿生假人踝关节精确跟踪控制方法，实现快速收敛，并规避了非奇异的问题，适用于冰雪运动等高速度运动下的控制。

技术研发人员：王伟,杨婧,王雨辰,朱泽军,陈柏霖,张宏岩,林时尧,刘佳琪,纪毅,苏政宇,孟祥瑜,于之晨,程一琛,张广,张锦程
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11