力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法与流程

本发明涉及力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法。

背景技术：

1、随着人口老龄化现象越来越明显，慢性疾病、残疾和运动障碍等疾病也呈上升趋势，自主康复的需求不断增长。在中风、脊髓损伤、肌无力等神经系统疾病或手臂受伤等情况下，许多患者需要进行长期自主康复，但传统的康复方法往往存在局限性。例如，传统物理疗法和药物治疗可能无法实现精细个性化康复。康复机械手套是一种利用机器人技术为患者提供辅助训练的康复设备，它通过准确感知、模仿与控制手部运动，为患者提供个性化康复方案，从而达到提高康复效果的目的。通过使用康复机械手套，患者可以更便捷地进行康复，增强个体的康复信心和自信心。此外，康复机械手套还可以推动机器人技术的发展，实现智能化、个性化康复方案的制定。康复机械手套是力反馈机械手的一个应用领域分支，力反馈机械手有着更为广泛的应用前景。

2、而现有的力反馈机械手中力反馈系统所采用的控制器和控制方法存在以下缺陷：一是扰动因素对动力学模型的干扰较大，导致控制器适应性和鲁棒性较差；二是非线性自抗扰控制的参数过于繁多，参数整定过于复杂，导致控制方法的设计效率低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：力反馈机械手的线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器、pd控制组合和线性扩张状态观测器，所述跟踪微分器的输出端连接有pd控制组合，pd控制组合的输出端连接有线性扩张状态观测器，且线性扩张状态观测器的输出端连接于pd控制组合的输入端。

3、优选的，所述跟踪微分器的输入端连接有信号输入模块，pd控制组合的输出端连接有力反馈系统。

4、力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；

5、其中上述步骤一中，搭建力反馈机械手运动学模型和动力学模型；

6、其中上述步骤二中，确定力反馈系统的状态空间表达式；

7、其中上述步骤三中，线性自抗扰控制器处理位移信号具体包括以下步骤：

8、1)信号输入模块获得位移信号v，将其输入到跟踪微分器中，跟踪微分器输出v1信号和v2信号；

9、2)v1信号和v2信号分别与线性扩张状态观测器的输出z1和z2相减得到pd控制组合的输入e1和e2；pd控制组合采用pd控制律对离散误差信号e1和离散误差微分信号e2进行的线性组合，计算后得到的输出为u0；

10、3)在线性扩张状态观测器中扩张原来的状态变量，将环境外扰动和系统内扰动之和的总扰动转变为一个新的状态变量，线性扩张状态观测器的输入信号为b0u和y，输出为z1，z2和z3；

11、其中上述步骤四中，线性自抗扰控制器输出补偿后的控制量u作用于力反馈系统，实现精确控制。

12、优选的，所述步骤一中，运动学模型包括弹簧拉力的理论模型和电机通过履带传动的位移模型，公式分别为：

13、f(t)＝kx

14、

15、两式联立并分别求导得到直流电机调速控制量：

16、

17、基于二阶力反馈系统的被控对象为：

18、

19、可将上式变形得到：

20、

21、优选的，所述步骤二中，取状态变量x1＝x,x3＝f，那么记为扩张后的包括位移、速度以及扰动的状态变量，力反馈系统的状态空间表达式为：

22、

23、其中，

24、优选的，所述步骤三中，跟踪微分器输出的v1是输入的位移信号v的经过过渡后的信号，输出的v2信号则是位移信号v1的微分信号；v1和v2的离散公式如下：

25、

26、跟踪微分器的公式包含一个核心算法部分，即最速控制函数fhan(v1,v2,r,h0)，让整个跟踪微分器能够迅速且平稳地跟踪输入信号的变化；其跟踪公式如下：

27、

28、跟踪微分器包含的参数为跟踪速度因子r和滤波因子h0，都为预设参数。

29、优选的，所述步骤三中，pd控制组合的表达式如下所示：

30、

31、经过参数化，可以选择

32、

33、pd控制组合包含的参数有wc。

34、优选的，所述步骤三中，根据状态空间表达式，基于二阶力反馈系统模型辅助的线性扩张状态观测器的表达式为：

35、

36、其中，uc＝[u y]t是控制量和状态输出变量的组合输入，yc是线性扩张状态观测器的输出，c＝[1 0 0]，l为需要设计的线性扩张状态观测器的增益矩阵；

37、为了线性扩张状态观测器的设计，可将线性扩张状态观测器的特征方程的极点放在同一位置-w0上，即使得：

38、λ(s)＝|si-(a-lc)|＝(s+w0)3

39、可以得到线性扩张状态观测器的增益矩阵为：

40、l＝[l1 l2 l3]t

41、将上式展开并对比系数得到其中各参数如下：

42、

43、那么代入上式得到二阶力反馈系统模型辅助的线性扩张状态观测器形式如下：

44、

45、yc＝z

46、当t→∞时，线性扩张状态观测器中的观测到的状态变量z1→x，z3→f；

47、连续的线性扩张状态观测器形式对应的离散线性扩张状态观测器形式为：

48、

49、其中，ud(k)＝[u(k)y(k)]t为力反馈系统离散的控制量和状态变量的组合，yd(k)为离散线性扩张状态观测器的输出，力反馈系统离散化后的系统矩阵分别为φ、γ、h，而lc就是我们需要单独设计的离散线性扩张状态观测器的状态反馈增益矩阵；同理，可以取离散线性扩张状态观测器带宽β使得离散的特征方程满足：

50、λ(z)＝|zi-(φ-φlch)|＝(z-β)3

51、所述线性扩张状态观测器包含的参数为w0和β。

52、优选的，所述步骤四中，补偿后的控制量公式如下：

53、

54、上述力反馈机械手的线性自抗扰控制器总共包含ωc、ω0和β这三个参数。

55、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的自抗扰控制器采用线性自抗扰控制设计，将需要整定的参数减小到三个，大大提高了控制方法的设计效率以及控制算法的适用性；本发明的自抗扰控制器能够通过扩展状态观测器来实时估计并补偿力反馈系统在工作时受到的总干扰，因此具有很强的适应性和鲁棒性，相较于现有线性自抗扰控制技术，本发明通过跟踪微分器防止力反馈系统中输入控制信号在不连续或带随机扰动的情况下引起的振荡和干扰，以此提高自抗扰控制器的品质。

技术特征：

1.力反馈机械手的线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器(1)、pd控制组合(2)和线性扩张状态观测器(3)，其特征在于：所述跟踪微分器(1)的输出端连接有pd控制组合(2)，pd控制组合(2)的输出端连接有线性扩张状态观测器(3)，且线性扩张状态观测器(3)的输出端连接于pd控制组合(2)的输入端。

2.根据权利要求1所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制器，其特征在于：所述跟踪微分器(1)的输入端连接有信号输入模块，pd控制组合(2)的输出端连接有力反馈系统。

3.力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；其特征在于：

4.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤一中，运动学模型包括弹簧拉力的理论模型和电机通过履带传动的位移模型，公式分别为：

5.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤二中，取状态变量x1＝x,x3＝f，那么记为扩张后的包括位移、速度以及扰动的状态变量，力反馈系统的状态空间表达式为：

6.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤三中，跟踪微分器(1)输出的v1是输入的位移信号v的经过过渡后的信号，输出的v2信号则是位移信号v1的微分信号；v1和v2的离散公式如下：

7.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤三中，pd控制组合(2)的表达式如下所示：

8.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤三中，根据状态空间表达式，基于二阶力反馈系统模型辅助的线性扩张状态观测器(3)的表达式为：

9.根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤四中，补偿后的控制量公式如下：

技术总结
本发明公开了力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；本发明的自抗扰控制器采用线性自抗扰控制设计，将需要整定的参数减小到三个，大大提高了控制方法的设计效率以及控制算法的适用性；本发明的自抗扰控制器能够通过扩展状态观测器来实时估计并补偿力反馈系统在工作时受到的总干扰，因此具有很强的适应性和鲁棒性，相较于现有线性自抗扰控制技术，本发明通过跟踪微分器防止力反馈系统中输入控制信号在不连续或带随机扰动的情况下引起的振荡和干扰，以此提高自抗扰控制器的品质。

技术研发人员：王一波,张新彬,孙函宇,汪鑫伟,霍建文,冯小龙,张振飞,熊永程,罗晶
受保护的技术使用者：中国船舶科学研究中心
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16