[发明专利]一种基于鲁棒控制与导纳控制结合的下肢康复机器人的控制方法

说明书

本发明公开了一种基于鲁棒控制与导纳控制结合的下肢康复机器人的控制方法，通过对传统的导纳控制中添加鲁棒控制器，能够使得整体控制系统兼具导纳控制的柔顺性以及鲁棒控制的抗干扰性，另外还考虑到系统摩擦以及鲁棒控制的抖动影响，对其进行补偿抵消，整体提高控制精度。

技术领域

本发明涉及康复机器人控制领域，特别涉及一种基于鲁棒控制与导纳控制结合的下肢康复机器人的控制方法。

背景技术

目前在关于下肢康复机器人的控制算法有很多。早期的控制算法大多数为被动控制，即轨迹追踪控制，控制机器人带动中风患者按照预设的固定轨迹运动，这种运动只适合于受伤严重，基本无运动能力的患者，因为该控制算法未考虑患者的主动参与。近年来导纳控制算法比较常应用于康复机器人，与被动控制固定的期望轨迹不同，导纳控制能够根据人机交互力实时修正期望轨迹，从而一定程度上考虑患者的主动参与和实现人机柔顺性。但是大多数导纳控制的位置控制器是基于比例积分微分(Proportional IntegralDifferentiation，PID)，该位置控制器结构简单，难以抵消外部干扰。

发明内容

本发明要解决的问题是如何提供一种可以减少外界干扰的导纳控制方法，该控制方法具有在康复机器人上既具备柔顺性，又具备鲁棒性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于鲁棒控制与导纳控制结合的下肢康复机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集髋、膝和踝关节位置的角度信号q，采集人机交互力矩信号τ_int；

S2：将实时测得的人机交互力矩τ_int信号输入导纳控制器，获得期望角度修正信号Δq；

S3：将预设参考角度q_r与Δq进行叠加，获得关节期望角度q_d；

S4:将关节期望角度与关节角度信号叠加获得角度误差e；将关节期望角度q_d，关节角度q和角度误差e输入动力学模型，获得理想关节力矩τ_s,d；将角度误差e输入鲁棒控制器，获得补偿力矩τ_c；

S5：将S4中理想关节力矩τ_s,d和补偿力矩τ_c进行叠加，获得电机输出力矩τ_m；

S6：将电机输出力矩信息传送至机器人中，使得机器人的电机按照电机输出力矩进行工作。通过添加鲁棒控制器，根据实际角度以及预期角度之间的误差，提供一个补偿力矩，减少外界对机器人的状态影响，从而使得康复机器人在不同场景更具鲁棒性和安全性。

可选的，所述的步骤S2中的导纳控制器的处理式为其中τ_int为人机交互力矩，B和K分别为下肢阻尼和刚度。

可选的，所述的步骤S4中的动力学模型的处理式为其中M(q)∈R^3×3是对称正定惯量矩阵，是向心力矩阵，G(q)∈R^3×1是重力向量，q∈R^3×1，和分别是关节角度、角速度和角加速度，关节角度、角速度和角加速度均由S1中采集的髋、膝和踝关节位置的角度信号处理获得，为关节期望角加速度。

可选的，所述的步骤S4中的鲁棒控制器的处理包括以下步骤：

S11：定义滑模面其中α是一个正定常数矩阵，I^3×3是一个单位矩阵；