[发明专利]一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法

权利要求书

1.一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，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)、伺服阀、伺服放大板、实时控制器；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，绷带(6)与力传感器(3)相连；液压缸(1)与伺服阀相连，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)通过绷带(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T_hm，通过上层ARC控制器，得到平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)；

(6)通过关节旋转编码器(2)获得外骨骼的实际角度值，根据步骤(5)得到的平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)，将实际角度值和平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)作为下层ARC位置跟踪控制器的输入量，下层ARC位置跟踪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自适应鲁棒级联力控制的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：

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：

液压缸负载运动模型：

液压缸两腔压力模型：

伺服阀的流量模型：

其中，T_hm是人机作用力，K是人机接口的刚度，q_h和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，q为外骨骼的位移的二阶导数；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，P₁和P₂分别是液压缸两腔的压力，A₁和A₂分别是两腔的面积，m是负载质量，g是重力加速度，l_c是关节到力传感的距离，B是阻尼粘滞摩擦系数，A是库仑摩擦系数，是用来拟合符号函数的光滑函数，是单关节助力外骨骼上的集中模型不确定性和干扰，V₁和V₂分别是液压缸两腔的体积，β_e是油液的体积弹性模量，Q₁,Q₂分别是进油流量和出油流量，分别是在进口和出口油路上的集中模型不确定性和干扰，x_v是阀芯位移，k_q1,k_q2分别是进出口的流量增益系数，P_s是泵的供油压力，P_r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T_hm、q_h和q之间的关系是静态的，为了可以动态控制人机作用力T_hm，用人机作用力的积分来代替T_hm；

将物理模型转化为状态方程的步骤如下：

令状态变量其中，x₂＝q,x₄＝P₁,x₅＝P₂，设集中模型不确定性为：

将集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，即其中，Δ_in为常数，Δ_i为时变函数；设其中，θ₁＝K,θ₂＝Δ_1n,θ₇＝Δ_3n,θ₈＝β_e,θ₉＝Δ_4n，则单关节助力外骨骼的物理模型的状态方程为：

其中：