[发明专利]冗余康复步行训练机器人各轴跟踪误差最优预测控制方法

说明书

一种冗余康复步行训练机器人各轴跟踪误差最优预测控制方法，该控制方法基于冗余机器人特征和动力学模型，设计非线性反馈预测控制器，建立各轴子系统离散化预测模型；分别以各轴轨迹跟踪误差为变量，建立目标优化性能函数，并构建各轴轨迹跟踪误差、速度跟踪误差和控制增量的约束条件，获得最优预测控制，从而实现各轴轨迹跟踪误差最优性能，并将冗余康复步行训练机器人的轨迹跟踪误差和速度跟踪误差约束在指定范围内，保障康复者安全训练。该控制方法不仅能提高轨迹跟踪精度，而且能保障训练者的安全性。

技术领域：

本发明涉及轮式冗余康复机器人的控制领域，尤其是关于轮式下肢冗余康复机器人的控制方法。

背景技术：

随着高龄人口增加和交通事故频发，导致下肢运动功能障碍者逐年增多。由于我国康复医疗资源有限，无法及时解决障碍者的下肢康复问题。因此，发展康复步行训练机器人，帮助下肢障碍者安全地进行步行训练具有重要意义。

康复步行训练机器人通常需要跟踪医生指定的运动轨迹帮助障碍者进行训练，精确跟踪医生的训练轨迹可有效提高康复效果。关于康复步行训练机器人轨迹跟踪控制方法已有许多研究成果，然而已有成果都没有分别实现x轴、y轴和旋转轴三个运动方向轨迹跟踪的最优性能，且没有同时将轨迹跟踪误差和速度跟踪误差约束在指定范围内。康复机器人不同于工业机器人，如果轨迹跟踪误差过大，康复机器人可能会碰撞周围的障碍物；如果速度跟踪误差过大，将导致康复机器人与康复者运动不协调，这些都会威胁训练者的安全。到目前为止，还没有实现各轴轨迹跟踪性能最优，且同时约束轨迹跟踪误差和速度跟踪误差的控制方法。现有康复机器人大都采用冗余结构设计方式。

发明内容：

发明目的：

为了解决上述问题，本发明提供了一种使冗余康复步行训练机器人在运动过程中，各轴轨迹跟踪误差最小，且轨迹跟踪误差和速度跟踪误差同时约束在指定范围内的预测控制方法。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种冗余康复步行训练机器人各轴跟踪误差最优预测控制方法，该控制方法中的康复步行训练机器人是一种冗余机器人，需要完成x轴、y轴和旋转轴三个运动方向的轨迹跟踪，基于冗余机器人特征和动力学模型，设计非线性反馈预测控制器，建立各轴子系统离散化预测模型；分别以各轴轨迹跟踪误差为变量，建立目标优化性能函数，并构建各轴轨迹跟踪误差、速度跟踪误差和控制增量的约束条件，获得最优预测控制，从而实现各轴轨迹跟踪误差最优性能，并将冗余康复步行训练机器人的轨迹跟踪误差和速度跟踪误差约束在指定范围内，保障康复者安全训练。

最优预测控制方法步骤如下：

1)基于康复步行训练机器人的冗余性，并结合动力学模型，设计非线性反馈预测控制器，从而获得解耦形式的动力学模型；在此基础上，构建x轴、y轴和旋转轴运动方向的子系统模型，依据泰勒展开方法，建立各轴子系统离散化预测模型；

2)利用子系统离散化预测模型，分别获得各轴具有控制增量形式的运动轨迹和运动速度状态方程；以各轴轨迹跟踪误差为变量，建立目标优化性能函数，并构建各轴轨迹跟踪误差、速度跟踪误差和控制增量的约束条件；通过求解具有控制增量形式的二次规划问题，获得安全预测控制，同时将轨迹跟踪误差和速度跟踪误差约束在指定范围内，保障康复者安全训练。

1)基于康复步行训练机器人的冗余性，并结合动力学模型，设计非线性反馈预测控制器，从而获得解耦形式的动力学模型；在此基础上，构建x轴、y轴和旋转轴运动方向的子系统模型，依据泰勒展开方法，建立各轴子系统离散化预测模型；