主动型假脚控制方法和系统以及终端滑模控制器技术方案

本发明专利技术公开了一种主动型假脚控制方法和系统，还涉及一种终端滑模控制器，通过引入终端滑模与积分滑模设计了一种终端滑模面，并对算法进行稳定性分析及证明。能够很好地提高假脚的稳定性与抗干扰性。脚的稳定性与抗干扰性。脚的稳定性与抗干扰性。

【技术实现步骤摘要】
主动型假脚控制方法和系统以及终端滑模控制器


[0001]本专利技术涉及假肢控制
，具体来说，涉及一种主动型假脚控制方法和系统，还涉及一种终端滑模控制器。

技术介绍

[0002]下肢假脚在行走时可能会遇到一些干扰，例如遇到石头路面、遇到一块石头、从平地进入沙土地等路况改变的情况，这会产生对假脚的扰动。

技术实现思路

[0003]针对相关技术中稳定性与抗干扰性的问题，本专利技术提出一种主动型假脚控制方法，设计了一种终端滑模面，使得假脚具有较高的稳定性与抗干扰性，使假脚能够平稳行走。
[0004]本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0005]根据本专利技术的一个方面，提供了一种主动型假脚控制方法，包括以下步骤：
[0006]S1，基于人体行走场景，建立假脚踝关节通用动力学模型如下式：
[0007][0008]其中，θ∈R
n
表示踝关节角度，表示角速度，表示角加速度，M(θ)∈R
n
×
n
表示对称的正定惯性矩阵，表示哥氏力与离心力矩阵，G(θ)∈R
n
表示重力矩阵，τ∈R
n
表示控制器输出到系统的关节力矩，D是有界外部干扰。
[0009]S2，终端滑模控制器的设计，
[0010]令：
[0011][0012]将式(2)带入式(1)转化成状态方程得到下式：
[0013][0014]理想的踝关节角度为x
d
＝θ
d
，关节角度误差定义为：
[0015]终端滑模面设计为：
[0016][0017]其中，sig(e)2‑
γ
＝|e|2‑
γ
sign(e)，Λ＞0,α＞0,β＞0,1＜2
‑
γ＜2，γ为两个正奇数之比；
[0018]根据关节角度误差，所述终端滑模控制器设计为：
[0019][0020]其中，k
s
＞η＞0。
[0021]根据本专利技术的实施例，所设计的所述终端滑模控制器的稳定性分析过程如下：
[0022]取李雅普诺夫函数：
[0023][0024]对关节误差求导得：
[0025][0026]对式(6)求导：
[0027][0028]将式(5)带入式(8)可得：
[0029][0030]其中，α＞0,1＜2
‑
γ＜2,0＜1
‑
γ＜1,k
s
＞η＞0，当时，则式(9)写为：
[0031][0032]因此，当时，所设计的所述终端滑模控制器满足李雅普诺夫稳定条件。
[0033]根据本专利技术实施例的另一个方面，还提供了一种终端滑模控制器，该终端滑模控制器使用上述的主动型假脚控制方法来驱动假脚。
[0034]根据本专利技术实施例的另一个方面，还提供了一种主动型假脚控制系统，包括以下模块：
[0035]模型建立模块，用于基于人体行走场景，建立假脚踝关节通用动力学模型如下式：
[0036][0037]其中，θ∈R
n
表示踝关节角度，表示角速度，表示角加速度，M(θ)∈R
n
×
n
表示对称的正定惯性矩阵，表示哥氏力与离心力矩阵，G(θ)∈R
n
表示重力矩阵，τ∈R
n
表示控制器输出到系统的关节力矩，D是有界外部干扰；
[0038]模型转化模块，用于对模型进行转化，
[0039]令：
[0040][0041]将式(2)带入式(1)转化成状态方程得到下式：
[0042][0043]期望踝关节角度为x
d
＝θ
d
，关节角度误差定义为：
[0044]控制器参数计算模块，用于根据输入的期望踝关节角度θ
d
、穿戴者情况与力矩计算所需要的控制器相关调解参数，控制器相关调解参数包括Λ,α,β,γ,k
s
；
[0045]滑模面模块，其中，终端滑模面设计为：
[0046][0047]其中，sig(e)2‑
γ
＝|e|2‑
γ
sign(e)，Λ＞0,α＞0,β＞0,1＜2
‑
γ＜2，γ为两个正奇数之比；
[0048]控制器，用于基于输入的期望踝关节角度θ
d
与控制器相关调解参数，根据输入参数计算假脚运动所需的力矩τ，力矩τ的计算公式为：
[0049][0050]其中，k
s
＞η＞0；
[0051]控制器还用于由计算得到的力矩τ驱动假脚。
附图说明
[0052]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0053]图1是根据本专利技术实施例的主动型假脚控制方法的流程图。
[0054]图2是示出踝关节相关参数的示意图。
[0055]图3是根据本专利技术实施例的控制框图。
具体实施方式
[0056]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0057]根据本专利技术的实施例，提供了一种主动型假脚控制方法。图1是根据本专利技术实施例的主动型假脚控制方法的流程图。针对假脚在行走时易收到干扰的情况，本专利技术的主动型假脚控制方法提供了一种终端滑模控制器(以下可称为控制器)来削弱干扰对假脚造成的
影响，使假脚能够平稳行走。如图1所示，主动型假脚控制方法主要包括步骤S1
‑
S4。
[0058]一、在步骤S1处
[0059]基于人体行走场景，建立假脚踝关节通用动力学模型如下：
[0060][0061]其中，θ∈R
n
表示踝关节角度，表示角速度，表示角加速度，M(θ)∈R
n
×
n
表示对称的正定惯性矩阵，表示哥氏力与离心力矩阵，G(θ)∈R
n
表示重力矩阵，τ∈R
n
表示控制器输出到系统的关节力矩，D是有界外部干扰，且|D|≤η。其中，η表示有界外部干扰的上界，即干扰的最大值。
[0062]图2中示出了踝关节角度θ。参考图2所示，m1和l1分别是小腿210的质量与长度，m2和l2是脚掌220的质量与长度。M(θ)是与m1、l1、m2、l2以及踝关节角度θ相关的正定矩阵。是与m1、l1、m2、l2、踝关节角度θ、角速度相关的矩阵，G(θ)是与m1、l1、m2、l2、踝关节角度θ以及重本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动型假脚控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，基于人体行走场景，建立假脚踝关节通用动力学模型如下式：其中，θ∈R
n
表示踝关节角度，表示角速度，表示角加速度，M(θ)∈R
n
×
n
表示对称的正定惯性矩阵，表示哥氏力与离心力矩阵，G(θ)∈R
n
表示重力矩阵，τ∈R
n
表示控制器输出到系统的关节力矩，D是有界外部干扰；对模型进行转化，令：将式(2)带入式(1)转化成状态方程得到下式：期望踝关节角度为x
d
＝θ
d
，关节角度误差定义为：S2，输入已采集好的期望踝关节角度θ
d
，根据穿戴者情况与力矩计算所需要的控制器相关调解参数，所述控制器相关调解参数包括Λ,α,β,γ,k
s
；S3，终端滑模面设计为：其中，sig(e)2‑
γ
＝|e|2‑
γ
sign(e)，Λ＞0,α＞0,β＞0,1＜2
‑
γ＜2，γ为两个正奇数之比；基于输入的所述期望踝关节角度θ
d
与所述控制器相关调解参数，控制器根据输入参数计算假脚运动所需的力矩τ，力矩τ的计算公式为：其中，k
s
＞η＞0；S4，由计算得到的力矩τ驱动假脚。2.根据权利要求1所述的主动型假脚控制方法，其特征在于，所设计的所述终端滑模控制器的稳定性分析过程如下：取李雅普诺夫函数：对关节误差求导得：对式(6)求导：
将式(5)带入式(8)可得：其中，α＞0,1＜2
‑
γ＜2,0＜1
‑
γ＜1,k
s

【专利技术属性】
技术研发人员：宋亮，张誉腾，马俪芳，
申请(专利权)人：国家康复辅具研究中心，
类型：发明
国别省市：