[发明专利]基于自适应在线学习的上肢康复机器人控制方法

说明书

本发明公开了一种基于自适应在线学习的上肢康复机器人控制方法，属于上肢康复机器人控制系统设计领域。本方法的操作步骤为：1）利用拉格朗日动力学方程建立上肢康复机器人单臂系统的动力学模型；2）基于自适应在线学习设计上肢康复机器人的控制系统模型；3）在MATLAB/Simulink中建立上肢康复机器人自适应在线学习的控制仿真模型；4）通过仿真实验，分析在自适应在线学习控制方法下，上肢康复机器人的角度及角速度跟踪误差，以及误差收敛情况。本发明方法具有创新性和仿真依据，可解决现有上肢康复机器人运动控制中误差较大及鲁棒性不足等缺陷，对上肢康复机器人控制系统的设计具有重大的指导意义。

技术领域

本发明涉及一种基于自适应在线学习的上肢康复机器人控制方法，应用于上肢康复人机协同运动控制领域。

背景技术

随着机器人技术的迅速发展，机器人的应用领域已经从传统的工业领域向日常生活中渗透，其中上肢康复机器人更是目前的一个研究热点。上肢康复是一种可穿戴的人机一体化机械装置，该装置可以重建或者增强穿戴者的上肢运动能力，在医疗康复、人机协同工作或军事救灾等领域具有广泛的应用前景。为了实现上肢康复的助力功能，要求上肢康复需要严格跟踪穿戴者的上肢运动轨迹，同时上肢康复机器人和穿戴者上肢之间的交互力保持最小，甚至是不存在。若上肢康复机器人的跟踪性能较差，会导致人机的交互力变大，影响穿戴者的运动，甚至危及穿戴者的安全。

上肢康复机器人系统是一个强耦合、高度非线性的系统，在实际系统中难以建立精确的数学模型。自适应在线学习控制是一种在线修正的控制方法，它能够根据期望的性能指标和实际的性能指标之间的差值来修正控制律或者控制参数，使系统能够保持最优或者次最优的工作状态，因此自适应在线学习控制非常适应于解决这类人机协同的运动问题。利用自适应控制的在线学习能力，在线估计上肢康复机器人的未知模型参数，及时修正控制器的控制参数，实现控制器的实时优化，有助于提高系统的稳定性和鲁棒性。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于自适应在线学习的上肢康复机器人控制方法，通过自适应在线学习控制逼近上肢康复机器人的模型，建立实时更新的上肢康复机器人控制系统。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于自适应在线学习的上肢康复机器人控制方法，具体步骤如下：

1)利用拉格朗日动力学方程建立上肢康复机器人单臂系统的动力学模型；

2)基于自适应在线学习设计上肢康复机器人的控制系统模型；

3)在MATLAB/Simulink中建立上肢康复机器人自适应在线学习的控制仿真模型；

4)通过仿真实验，分析在自适应在线学习控制方法下，上肢康复机器人的角度及角速度跟踪误差，以及误差收敛情况。

所述步骤1)的具体步骤如下：

针对上肢康复机器人的单臂(左臂或者右臂)模型，只考虑单臂的肩关节和肘关节，对模型进行简化，利用拉格朗日动力学方程建立上肢康复机器人的动力学模型如下：

其中：是上肢康复机器人的惯性矩阵，表示离心力和哥式力，是重力项，是关节在矢状面(即沿着人体前后方向将人体分为左右两部分的纵切面)的旋转角度，T是外部因素；D(q)，和G(q)表达式如下：