[发明专利]一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法

说明书

本发明公开了一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法，首先建立人体膝关节的阻抗模型和膝关节外骨骼的阻抗模型，然后将两者联立形成最终的膝关节外骨骼人机交互模型；采用极局部建模方式，建立无模型反演控制框架；利用自适应延时估计方法将系统的非线性和干扰估计出来，从而补偿进入控制器中；利用最小二乘算法对控制通道增益进行估计，因此能够达到最优的控制性能。本发明的控制方法不仅可以有效控制膝关节外骨骼角度，而且便于调节参数，同时对抗干扰能力进行了加强，适用于外骨骼机器人的关节角度控制。

技术领域

本发明属于机器人关节角度控制领域，特别是一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法。

背景技术

外骨骼机器人行业现在是新时代工业发展的热门行业，无论是在军用负重方面还是民用医疗方面都有广泛的应用前景。作为下肢外骨骼的承重模块，膝关节外骨骼起着至关重要的作用。可是膝关节外骨骼由于其建模的非线性和不确定性，以及实际应用中的干扰，导致其关节角度的控制很难，一直是许多研究下肢外骨骼团队的难题。因此，本次发明一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法。

文献(Zhang Y,Wang JZ,Li W,Wang J,Yang P.A model-free control methodfor estimating the joint angles of the knee exoskeleton[J].Advances inMechanical Engineering.2018,10(10)：1-10.)中电子科技大学的的学者使用无模型自适应控制对膝关节外骨骼进行控制，使用一种基于数据驱动的无模型控制。该方法需要调节大量的参数，想要用嵌入式计算机实现很困难，且该方法约束条件太多无法抗干扰，存在很大的局限性，急需一种结构简单，参数少、方便调节且控制效果好的无模型控制方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法，对局部动态特性进行估计，对控制通道增益进行估计从而满足抗干扰和不确定性的要求。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种膝关节外骨骼角度的无模型自适应反演控制方法，包括以下步骤：

步骤1、建立膝关节外骨骼人机交互的阻抗模型：包括人体膝关节的阻抗模型和膝关节外骨骼的阻抗模型，将两者联立形成膝关节外骨骼人机交互的阻抗模型；

步骤2、建立膝关节外骨骼无模型反演控制框架：采用极局部建模方式将系统的非线性和干扰统一地表达出来，建立包含干扰、控制通道增益的反演控制器；

步骤3、利用自适应时延估计方法估计出系统的非线性和干扰，从而补偿进入反演控制器中；

步骤4、计算控制通道增益的估计值：利用递推最小二乘算法对控制通道增益进行估计，并将其代入时延估计中。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明使用自适应时延估计方法对局部动态进行估计并补偿进入控制器，使该无模型控制方法能够有效克服膝关节外骨骼的扰动和不确定性，这是无模型自适应控制没有的，也是对经典时延估计方式的创新；

(2)本发明使用递推最小二乘算法对膝关节外骨骼的控制通道增益进行在线参数辨识，既提高了控制精度，又不需要手动调节，经典无模型控制都是使用的恒定值，需要工程师调节；

(3)本发明针对无模型控制中的PID控制器，提出用反演控制器取代PID控制器，不仅减少了参数的调节，还能方便证明系统的稳定性；

(4)本发明采用的是离散控制形式，十分方便计算机编程，经典无模型控制都是连续形式，理论性很强。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明控制方法的总体流程图。