[发明专利]一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法

摘要

本发明公开了一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，针对液压缸驱动单关节助力外骨骼增力和跟随问题，采用了级联力控制方法，设计了上层控制器和下层控制器，通过上层控制器生成单关节的参考轨迹，下层控制器实现对参考轨迹的跟踪。本发明在助力外骨骼承担重物时最小化人机作用力以实现助力和跟随人运动，采用自适应鲁棒控制算法(ARC)来设计上下层控制器，有效克服了单关节助力外骨骼的模型不确定性的影响，实现了助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果，具有较强的应用价值。

主权项

一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法，所述单关节助力外骨骼包括液压缸(1)、关节旋转编码器(2)、力传感器(3)、第一杆件(4)、第二杆件(5)、绷带(6)、伺服阀、伺服放大板、实时控制器；所述第一杆件(4)和第二杆件(5)通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器(2)；液压缸(1)的一端与第一杆件(4)铰接，另一端与第二杆件(5)铰接；力传感器(3)设置在第二杆件(5)上，绷带(6)与力传感器(3)相连；液压缸(1)与伺服阀相连，伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器(2)和力传感器(3)均与实时控制器相连；其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)初始化实时控制器的采样周期T，取T的值在10到20毫秒之间；(2)将单关节助力外骨骼第一杆件(4)和第二杆件(5)旋转至平行位置，此时，初始化单关节助力外骨骼上的关节旋转编码器(2)，将关节旋转编码器(2)的数值调零；(3)初始化位于第二杆件(5)上的力传感器(3)，将力传感器(3)的数值调零；(4)建立单关节助力外骨骼的物理模型，并将其转化为状态方程，所述物理模型包括：人机接口模型、液压缸负载运动模型、液压缸两腔压力模型和伺服阀的流量模型；(5)通过绷带(6)将人与外骨骼单关节上的力传感器(3)相连，测定力传感器上的作用力Thm，通过上层ARC控制器，得到平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)；(6)通过关节旋转编码器(2)获得外骨骼的实际角度值，根据步骤(5)得到的平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)，将实际角度值和平滑处理后的外骨骼参考位移x(1)作为下层ARC位置跟踪控制器的输入量，下层ARC位置跟踪控制器的输出为单关节助力外骨骼的控制电压u；(7)通过伺服阀放大板将步骤(6)得到的控制电压u转化为伺服阀的控制电流；(8)控制电流控制伺服阀的阀芯开口从而控制液压缸两端的压力，推动液压缸运动，实现单关节助力外骨骼的运动跟随。