一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制 的方法。
【背景技术】
[0002] 军队士兵经常需要背负重物进行长距离行走或作战，过重的负载常会对士兵身体 造成一定的伤害，在这种背景下，需要开发一款能在战场环境中增强士兵速度、力量以及耐 力的外骨骼装备；在科考、消防营救等领域，科考人员及消防营救人员常常需要长距离行 走、背负重物、运送伤员、野外作战、登山探险等，传统的轮式交通工具难以在这些特殊场合 发挥作用。除此之外，外骨骼也可以被用于仓库的货物装卸，以减轻搬运工人的劳动强度。 外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的装卸 的工作，如为战斗机装卸导弹等，这是其他的装卸令备难以比拟的。外骨骼在这些领域的应 用将对这些领域起到非常积极的作用。另外，老龄化正在全球蔓延，外骨骼的出现不仅可以 帮助一些老年人解决体力较差、行走不变的问题，也可以帮助一些丧失行动能力的人恢复 部分的行动能力。助力外骨骼的特点是要求在非结构环境下与穿戴者进行协作，这要求研 究人员需要解决非结构性环境下高度协调的人机一体化问题，包括有效、可靠的人机间交 互问题，对人体运动意图的快速响应问题，轻便、灵活的仿生结构设计，人机系统的安全性 问题等，这些技术问题还处于初级摸索阶段，并不成熟，还需要进行深入的研究。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级 联力控制的方法，该方法在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应 的特点。
[0004] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：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、关节旋转编码器、力传感 器、第一杆件、第二杆件、绷带、电液伺服阀、伺服放大板、实时控制器等；所述第一杆件和第 二杆件通过铰链连接，在铰接处设置关节旋转编码器；液压缸的一端与第一杆件铰接，另一 端与第二杆件铰接；力传感器设置在第二杆件上，绑带与力传感器相连；液压缸与电液伺 服阀相连，电液伺服阀与伺服放大板相连，伺服放大板、关节旋转编码器和力传感器均与实 时控制器相连；该方法包括如下步骤：
[0005] (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；
[0006] (2)将单关节助力外骨骼第一杆件和第二杆件旋转至平行位置，此时，初始化单关 节助力外骨骼上的关节旋转编码器，将关节旋转编码器的数值调零；
[0007] (3)初始化位于第二杆件上的力传感器，将力传感器的数值调零；
[0008] (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；
[0009] (5)通过绑带将人与外骨骼单关节上的力传感器相连，测定力传感器上的作用力 Thni，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);
[0010] (6)通过关节旋转编码器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χ(1)，将实际角度值和平滑处理后的外骨骼参考位移X(l)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。
[0011] (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。
[0012] (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。
[0013] 进一步地，所述步骤4具体为：
[0014] 建立单关节助力外骨骼的物理模型，所述物理模型包括：
[0015] 人机接口模型：
(1)
[0016] 液压缸负载运动模型：
m
[0017] 液压缸两腔压力模型：
(3；
[0018] 伺服阀的流量模型：
(4)
[0019] 其中，Thni是人机作用力，K是人机接口的刚度，qjP q分别是人的位移和外骨骼 的位移，#是外骨骼的位移的一阶导数，奋为外骨骼的位移的二阶导数；或是在人机接口 上的集中模型不确定性和干扰，J是单关节助力外骨骼的转动惯量，h是液压缸输出力的力 臂，PJP P 2分别是液压缸两腔的压力，A JP A 2分别是两腔的面积，m是负载质量，g是重力加 速度，1。是关节到力传感的距离，B是阻尼粘滞摩擦系数，A是库仑摩擦系数，5^)是用来拟 合符号函数Sg〇(勿的光滑函数，只4) = iarctan(900di) , 0 2是单关节助力外骨骼上的集中 模型不确定性和干扰，1和V 2分别是液压缸两腔的体积，β e是油液的体积弹性模量，Q i，Q2 分别是进油流量和出油流量，Dy 分别是在进口和出口油路上的集中模型不确定性 和干扰，Xv是阀芯位移，k ql，kq2分别是进出口的流量增益系数，P s是栗的供油压力，P 1^是出 油口上的压力，u是伺服阀的控制电压；
[0020] 由于人机接口模型是一个静态的方程，所以Thni、qh和q之间的关系是静态的，为了 可以动态控制人机作用力T hni，用人机作用力的积分来代替Thni;
[0021] 将物理模型转化为状态方程的步骤如下：
[0022] 令状态变量
，其中，
设集 中模型不确定性为
，
[0023] 将集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，即I = Affi + Δ;，? = 1,3,4 其 中，δ ιη为常数，Δ i为时变函数；设
，其 中，
，则单关节助力 外骨骼的物理模型的状态方程为：
[0024]
(5>
[0025]
(6)
[0026]
/..7 \
[0027]
(8)
[0028] 其中：
[0029]
[0030] 进一步地，所述步骤5中的上层ARC控制器控制方法如下：
[0031 ] 根据步骤4得到物理模型的状态方程（5)，设第一跟踪误差Z1=X1-X ld，其中Xld为期 望的人机作用力的积分，取值为〇 ;设a i为第一虚拟控制输入，该第一虚拟控制输入α ^勺 作用是使人机作用力的第一跟踪误差Z1快速趋向于零，a i的确定方法如下：
[0032] 设 α 1= a la+a lsl+a ls2，其中
， Klsl= g」I F1(J)1I「+Kp K1>gl均是任意选取的非负数；I1, 4是对参数θρ 02的 估计值，设β = [S1 θ 2 0 0 0 0 0 0 0]τ，根据物理模型，可以得到这两个估计值 的范围为：
：，其中錢_为对参数9屈估计值4的最小值，爲_为 对参数Q1的估计值_的最大值，S2hmi为对参数％的估计值鸟的最小值，爲_为 对参数92的估计值4的最大值；而这两个估计值4，i的值在上层ARC控制器中 由自适应率》=ΡΓε?·(ΓΛ)得到，其中，//=|P 4 〇 〇 0 0 〇 〇 0]'，Γ1 = 虹38(丫1丫2〇〇〇〇〇〇〇)，11=￥1巾121，其中％是权重系数，其值为任意非负数 ； Φγ\-〇λ, ο ο 0 0 ο 0 ο 〇Γ+异，y i、υ2是任意非负数；#的映射函数为
[0033]
[0034] 设及_ = 4，根据ARC控制算法，a 1；32必须满足以下两个条件，即：
[0035]
[0036] 其中，岁=矣# , E1是阈值，其值为任意非负数；
[0037] 根据设计得到的第一虚拟控制输入a i，将它通过一个四阶滤波器进行平滑处理， 得到外骨骼的参考位移、参考速度、参考加速度和参考加加速度；四阶滤波器的状态方程如 下：
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 令y代表外骨骼参考位移，设y (s) = a i (s)，X (I)，X (2)，X (3)，X (4)分别代表平 滑处