[发明专利]基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法

权利要求书

1.一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，通过牛顿运动定律得出外骨骼机器人串级弹性作动器的标称模型；

步骤2，对步骤1所述的标称模型进行输出预测，设计双层更新律，用于确定系统在非参数不确定性时的预测周期；

步骤3，基于步骤2所述的双层更新率，将性能指标进行滚动时域优化后得到控制律。

2.根据权利要求1所述的一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，所述步骤1中，外骨骼机器人中的串级弹性作动器的标称模型可以写为：

式中，q_m和q_l分别是电机夹角和连杆夹角；F_m是电机转矩；m_m和m_l分别为电机惯量和连杆惯量；k为扭簧刚度；b_m和b_l分别为电机粘性摩擦系数和连杆粘性摩擦系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，所述步骤2中，对模型进行输出预测的方法如下：

让和

其中，x为系统状态，u为控制输入，是连杆夹角的参考信号；

然后利用该系统，输出在预测期内(0≤τ≤T)可以通过下列泰勒展开来预测：

其中，

4.根据权利要求1所述的一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，所述步骤2中，设计双层更新律的方法如下：

步骤201，让其中ρ₁是辅助设计参数；

在重新缩放的坐标中，系统可以被压缩表示为：

式中，I∈R^4×4表示单位矩阵，L(0)＝1，

其中k₁，k₂，k₃，k₄是优化增益，是仅与阶数相关的常量；

步骤202，提出预测周期的双层更新律，其形式为：

其中，ρ₁，ρ₂，ρ₃和ρ₄是可调参数且满足：

5.根据权利要求4所述的一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，根据所述的双层更新律，可以得出预测周期：

T＝T(0)/L，T(0)＞0 (5)。

6.根据权利要求1所述的一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，其特征在于，所述步骤3中，对性能指标进行时域优化得到控制律的方法如下：

步骤301，基于标称模型，可以预测性能指标为：

其中，

求对U的偏导数，让并且获得优化的控制序列

步骤302，采用控制序列第一行，得出了可实现的广义动态预测控制律：

式中，I＝[1]∈R^1×1，考虑到T₂(i，j)＝p_i，jT^3+i+j和T₃(i，j)＝q_i，jT^7+i+j，控制律可以简化为：

式中，p_i，j，q_i，j，i，j是与阶数相关的常量，其中k₁，k₂，k₃，k₄是优化增益，是仅与阶数相关的常量。