[发明专利]一种人机在环调试的踝关节外骨骼PD控制器参数整定方法

说明书

本发明公开了一种人机在环调试的踝关节外骨骼PD控制器参数整定方法，可用于在不同的穿戴者和行走工况的条件下整定踝关节外骨骼的PD控制器参数使控制效果达到最优，整定过程通过人机在环的在线调节，无须特定测试环境或设备的介入。该方法过程如下：通过穿戴者在步行工况的踝关节外骨骼实际运行过程中采集PD控制器的比例系数K_p和微分系数K_d参数组合，以及对应的辅助力控制误差，导入高斯回归算法中进行曲面拟合，得到曲面的最低点(即预测的控制误差最小)的K_p和K_d参数，再反导入到外骨骼PD控制器中更新参数，重复人机在环的参数迭代过程，最终K_p和K_d参数收敛时即代表PD控制器参数整定至针对当前穿戴者及步行工况的最优。

技术领域

本发明涉及外骨骼控制技术领域，具体涉及一种人机在环调试的踝关节外骨骼PD控制器参数整定方法。

背景技术

外骨骼系统是一种典型的人机系统，其工作过程是人体与机器人相互合作，以人体的各种主观意图为规划核心，结合传感器技术的感知和机器人的力量优势来落实和拓展。踝关节外骨骼通过外骨骼驱动系统向踝关节施加一个辅助力矩，在步行运动中部分替代人体踝关节本身的发力，以此起到减少人体代谢消耗的效果。由于踝关节的步行运动具有特定的生物力学性质，外骨骼施加的辅助力矩须要具备合适的样式以贴合它，才能实现替代踝关节发力的效果，因此，踝关节外骨骼要有合适的控制器，依照合适的辅助力矩样式来控制外骨骼的驱动力，实现当前步态周期相位所需的目标辅助力矩大小。

当前踝关节外骨骼的控制常采用基于力反馈的PD控制器，其性质由比例系数K_p及微分系数K_d决定，然而不同的穿戴者和不同的步行工况都会影响外骨骼与人体组成的系统，导致达到最优控制效果时的PD控制器的K_p和K_d参数往往有所不同。为此，有必要根据不同工况来对外骨骼PD控制器的参数进行整定以使其控制效果最优，而外骨骼具有特殊性，不像一般设备可以孤立地在测试台架上进行控制器参数整定，而必须与目标穿戴者组合并在目标步行工况中才能表征出PD控制器所控制的系统。目前，亟待提出一种人机在环的外骨骼PD控制器参数整定方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种人机在环调试的踝关节外骨骼PD控制器参数整定方法。该方法通过在穿戴者在步行工况的踝关节外骨骼实际运行过程中采集PD控制器的比例系数K_p和微分系数K_d参数组合，以及对应的辅助力控制误差，导入高斯回归算法中进行曲面拟合，得到曲面的最低点(即预测的控制误差最小)的K_p和K_d参数，再反导入到外骨骼PD控制器中更新参数，重复人机在环的参数迭代过程，最终K_p和K_d参数收敛时即代表PD控制器参数整定至针对当前穿戴者及步行工况的最优。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种人机在环调试的踝关节外骨骼PD控制器参数整定方法，所述参数整定方法包括如下步骤：

步骤S1、选取初始PD控制器参数，通过记录外骨骼在当前PD控制器参数下的辅助力控制误差，建立外骨骼PD控制器参数整定的初始样本集，此步骤为步骤S2的高斯回归过程提供了初始样本集用于训练；

步骤S2、将初始样本集在内的现有样本集作为训练数据，导入高斯回归算法中进行训练，重复求解最优样本点直至满足收敛条件，其中最优样本点为使每个步态周期PD控制器误差最小的点，满足收敛条件后，确定最优比例系数K_p和微分系数K_d取值作为踝关节外骨骼PD控制器的参数整定结果。

进一步地，所述步骤S1过程如下：