[发明专利]一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法

权利要求书

1.一种下肢外骨骼康复机器人康复训练的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对下肢外骨骼康复机器人进行建模，得到下肢外骨骼康复机器人的控制方程为：

$M\left(q\right(t\left)\right)\stackrel{\·\·}{q}\left(t\right)+V\left(q\right(t),\stackrel{\·}{q}(t\left)\right)+G\left(q\right(t\left)\right)=\mathrm{\τ}\left(t\right)---\left(1\right)$

其中，q(t)表示膝关节和髋关节的转动角；表示膝关节和髋关节的转动速度；表示膝关节和髋关节的转动加速度；τ(t)为自适应控制器；M(q(t))表示下肢外骨骼康复机器人模型的惯性矩阵；G(q(t))表示下肢外骨骼康复机器人模型的重力；表示下肢外骨骼机器人模型的离心和哥氏力项矩阵；

其中，

$M\left(q\right(t\left)\right)=\left[\begin{array}{cc}(\frac{1}{4}{m}_1+m_2)a_1^2+\frac{1}{4}{m}_2{a}_2^2+m_2{a}_1{a}_{2}cos\left(q_2\right(t\left)\right)& \frac{1}{4}{m}_2{a}_2^2+m_2{a}_1{a}_{2}cos\left(q_2\right(t\left)\right)\\ \frac{1}{4}{m}_2{a}_2^2+m_2{a}_1{a}_2\cos \left(q_2\right(t\left)\right)& \frac{1}{4}{m}_2{a}_2^2\end{array}\right]$

$V\left(q\right(t),\stackrel{\·}{q}(t\left)\right)=\frac{1}{2}{m}_2{a}_1{a}_{2}sin\left(q_2\right(t\left)\right)\left[\begin{array}{cc}-2{\stackrel{\·}{q}}_2\left(t\right)& -{\stackrel{\·}{q}}_2\left(t\right)\\ {\stackrel{\·}{q}}_1\left(t\right)& 0\end{array}\right]$

$G\left(q\right(t\left)\right)=\left[\begin{array}{c}(\frac{1}{2}{m}_1+m_2)g{a}_{1}cos\left(q_1\left(t\right)\right)+\frac{1}{2}{m}_{2}g{a}_{2}cos(q_1\left(t\right)+q_2\left(t\right))\\ \frac{1}{2}{m}_{2}g{a}_2\cos (q_1\left(t\right)+q_2\left(t\right))\end{array}\right]$

其中：m₁,m₂分别表示膝关节和髋关节的质量；a₁,a₂分别表示膝关节和髋关节的长度，g为重力常数；

令：则得到：

对公式(1)进行线性化，得到：

其中，为时间函数组成的矩阵，且与膝关节和髋关节的转动角q(t)、转动速度相关；表示机器人模型中的未知参数；

(2)、构建自适应控制器τ(t)，及自适应控制率

其中，分别为：惯性矩阵的估计值、离心和哥氏力项矩阵的估计值、重力的估计值；

为的估计,随着时间的推移，不断趋近于真值为的一阶导数；

e(t)＝q_d(t)-q(t)，表示跟踪误差向量，其中，q_d(t)为膝关节和髋关节预期到达的转动角；

$\mathrm{\Ω}\left(t\right)={\[0,0,\stackrel{\·}{e}{\left(t\right)}^T\]}^T;$

K_v和K_p是控制增益参数，通过预先训练得到，训练方法为：预先通过MATLAB软件仿真一个下肢外骨骼康复机器人系统，设置自适应控制器τ(t)中其他各个参数，再根据边界控制器τ(t)和步骤(1)中的控制方程进行仿真训练，其训练目标是令下肢外骨骼康复机器人系统中各关节的跟踪误差e(t)≤M％，0≤M＜100；

(3)、在时刻t,采用光电编码器采集膝关节和髋关节的转动角q(t)和转动速度

(4)、将步骤(3)得到的实际参数代入步骤(2)得到自适应控制率从而得到时刻t的自适应控制器τ(t)，驱动装置再根据自适应控制器τ(t)向下肢康复机器人施加作用力，驱动关节转动到q_d(t)。