[发明专利]基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统

权利要求书

1.一种基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，包括参考轨迹规划器、线性二次高斯控制器；

所述参考轨迹规划器包括脚步规划器、零动量点规划器、质心规划器、发散运动分量规划器；

所述参考轨迹规划器通过脚步规划器获得下肢外骨骼机器人的实际参数，再利用零动量点规划器根据步伐生成零动量点轨迹，接下来基于线性倒立摆模型计算出质心轨迹，最后基于发散运动分量理论控制质心运动中的发散运动分量，获得机器人前馈步行的参考轨迹；

所述线性二次高斯控制器基于所述发散运动分量，实现在不确定情况下稳健地跟踪所述参考轨迹，并且实现在存在过程干扰和测量噪声的情况下也具有鲁棒性；

所述线性二次高斯控制器使用了发散运动分量的概念，通过将矢状面和冠状面的运动解耦简化了脚步规划的复杂度；

所述线性二次高斯控制器包括卡尔曼滤波器、积分器，所述卡尔曼滤波器用于在存在测量和过程噪声的情况下估计系统的状态，并且根据每个控制周期内状态误差的可观测性；所述积分器用于消除稳态误差，根据积分器的估计状态和输出。

2.根据权利要求1所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述脚步规划器根据输入的步长信息生成一组足迹位置，其中步长信息包括步长(SL)、步宽(SW)、步长持续时间(SD)、单支撑持续时间(SSD)和双支撑持续时间(DSD)。

3.根据权利要求2所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述零动量点规划器基于指定足迹并使用以下公式生成零动量点轨迹：

其中t表示时间，在每个步骤结束时重置，(t≥T_ss+T_ds)，T_ss、T_ds分别是单支撑阶段和双支撑阶段的持续时间，fi＝[f_i,x f_i,y]是2D平面上的一组计划脚部位置(i∈N)。

4.根据权利要求3所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述质心规划器的动力学模型是基于线性倒立摆模型，根据所述动力学模型，质心仅限于沿预定义的水平面移动，因此，矢状面和冠状面的运动是解耦、独立的；所述动力学模型通过一阶稳定动力学方程表示仿人机器人的整体动力学，如下所示：

式中，x代表COM在矢状面上的位置,为摆锤的固有频率，p_x是零动量点的位置，零动量点是地平面上的一个点，地面反作用力在该点起作用，以补偿重力和惯性；

计算质心轨迹，所述质心轨迹可通过将上述动力学方程作为边值问题求解而获得，求解微分方程所考虑的边界条件是质心在行走步伐开始和结束时的位置；因此，使用以下函数获得质心轨迹：

其中t₀、t_f、x₀、x_f分别是在步骤开始和结束时质心的时间和相应位置。

5.根据权利要求4所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述发散运动分量的动态定义如下：

式中，ζ,分别表示发散运动分量和质心的速度，通过对上述方程两侧取导数得出对应的导数方程，并将方程代入所述导数方程，能够得到线性倒立摆模型的动力学方程的状态空间表达式，如下所示：

根据这个状态空间矩阵，质心在无控制的情况下总是收敛到发散运动分量，发散运动分量参考轨迹可通过将生成的质心轨迹及其导数代入方程来生成。

6.根据权利要求1所述的基于发散运动分量的下肢外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述线性二次高斯控制器跟踪的最佳状态反馈控制律设计如下：

其中，x，x_des分别表示估计状态和期望状态，x_i是积分器输出，K表示设计用于最小化以下成本函数的最佳增益矩阵，如下所示：

其中z^T为z的转置矩阵，Q是线性二次型函数的性能指标函数，R是线性二次型函数中控制量的权重，它们是跟踪性能和控制成本之间的折衷,可根据需要通过测试进行调整。