[发明专利]基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法，属于外骨骼机器人系统领域。针对外骨骼机器人中的非参数不确定性的问题，本发明提供了一类非参数不确定性下三角系统的广义动态预测控制方法，首先，通过牛顿运动定律得出外骨骼机器人中的串级弹性作动器的标称模型；然后，对模型进行输出预测，设计一个双层更新律以确定系统在非参数不确定性下的一个合适的预测周期；最后，将性能指标进行滚动时域优化，最后得到控制律。该方法解决了模型预测控制(MPC)方法的标称模型预测状态/输出存在不确定性时，精度会发生变化，最终导致闭环控制性能恶化的问题。

技术领域

本发明涉及外骨骼机器人系统领域，更具体地说，涉及一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法。

背景技术

外骨骼机器人是一种穿戴在操作者身体外部，融入先进控制、信息耦合、移动计算、通信等技术的人机电设备，可为穿戴者提供额外的动力或能力，增强人体机能，其在操作者的控制下可完成特定的功能和任务，实现人体力量的增强和感觉器官的延伸。外骨骼机器人技术最早应用在工业领域，用于为操作者提供支撑和辅助，随着控制技术的发展和人机耦合技术的进步，其逐步应用于消防救援和核探测领域。近年来，外骨骼机器人技术也在陆军得到了初步应用，用于单兵负载携行。

中国专利申请，申请号CN201710681749.0，公开日2017年11月28日，公开了一种基于径向基神经网络的上肢外骨骼康复机器人控制方法，建立人体上肢肌肉骨骼模型；采集上肢肌肉肌电信号及上肢运动数据，将运动数据导入上肢肌肉骨骼模型中，获得上肢关节力矩，构建径向基神经网络，给出神经网络模型；识别患者运动意图，融合分析关节角速度，将结果用于识别训练对象关节伸屈状态，确定肢体运动意图。该专利提出了一种基于神经网络的控制方法，但是，该方法计算量过大，不易控制器的在线实现。

中国专利申请，申请号CN201610096527.8，公开日2018年4月6日，公开了一种用于下肢外骨骼机器人的控制方法。该控制方法在包含传统下肢外骨骼人体意图检测传感器的基础上加入了气囊压力传感器，通过测量人体大腿压迫气囊产生的信号来反应人体同外骨骼作用力，从而反馈人体运动意图，并以此校正外骨骼控制算法的偏差；使用气囊传感器同时可以为体提供柔性的人机接口，缓冲人体与外骨骼机器人作用力。该专利提出了一种模糊控制方法，但是在该方法中，模糊集的确立方法比较复杂，且依赖专家经验。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对外骨骼机器人中的非参数不确定性的问题，本发明提供了一类非参数不确定性下三角系统的广义动态预测控制方法，它可以实现通过双层更新律来估计系统不确定性的集中影响。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种基于外骨骼机器人的广义动态预测控制方法包括以下步骤：

步骤1，通过使用牛顿运动定律，写出外骨骼机器人中的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，设计一个双层更新律，以确定系统在非参数不确定性下的一个合适的预测周期；

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,最后得到控制律。

进一步地，所述步骤1中，通过使用牛顿运动定律，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。