一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，包括步骤S1、在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传感器，检测操作者对多维力传感器的人机相互作用力，构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型；步骤S2、通过阻抗控制模型获取操作手末端的期望位置，由得到的期望位置计算出上肢外骨骼系统中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节角度；步骤S3、通过自抗扰控制器估计上肢外骨骼系统的状态和干扰，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，并将干扰消除，能够估计出上肢外骨骼系统模型中耦合项和各种不确定因素引起的总扰动并加以补偿，针对上肢外骨骼系统中不确定因素具有较强鲁棒性。统中不确定因素具有较强鲁棒性。统中不确定因素具有较强鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法


[0001]本专利技术属于上肢外骨骼系统协同随动控制
，具体涉及一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法。

技术介绍

[0002]随着人口老龄化问题的日益严峻与社会对于康复医疗问题的重视程度的增加，可穿戴的外骨骼机器人已经成为了当前研究的重点与热点，在抢险救灾、医疗康复、助力助行、国防军事等多个领域发挥重要作用。
[0003]传统的机器人通常是操作手末端的位置和姿态来实现机器人的控制，在整个控制过程中，需要知道操作手与目标位置，并通过逆运动学解算关节角度，对角度进行轨迹规划，计算出角速度和角加速度。最后，将相关角度信息带入动力学方程解算出关节所需的力矩，通过执行器驱动机器人的运动，从而实现机器人的位置控制。与传统机器人的控制不同，上肢外骨骼是人机一体系统，需要操作者实时做出运动决策，外骨骼系统只需负责执行相应的动作。上肢外骨骼系统控制目的是跟随操作者的运动，且给操作者提供部分助力。
[0004]操作者在穿戴上肢外骨骼系统完成搬运托举的过程中，外骨骼系统在给操作者提供助力的同时，还需要跟随操作者手部运动，且不能阻碍操作者手部的运动。要达到良好的随动控制效果，选择适合的控制策略与控制方法具有重要的意义。传统的机械臂使用力/位置控制、PD控制等方式，这些控制方式无法有效的控制机械臂与环境的交互。在产生偏差时，会由于缺乏柔顺性使机械臂在移动旋转等过程中超过期望值。尤其是PD控制在与不同环境切换过程会造成系统不稳定。
专利技术内容
[0005]根据现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，包括：
[0008]步骤S1、在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传感器，检测操作者对多维力传感器的人机相互作用力，构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型；
[0009]步骤S2、通过阻抗控制模型获取操作手末端的期望位置，由得到的期望位置计算出上肢外骨骼系统中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节角度；
[0010]步骤S3、通过自抗扰控制器估计上肢外骨骼系统的状态和干扰，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，通过自抗扰控制器将干扰消除。
[0011]进一步地，所述步骤S1中，将上肢外骨骼系统与人的相互作用力表示为惯性、阻尼与刚度的线性组合：
[0012]为控制量系数。
[0030]进一步地，采用误差反馈线性组合方式也能取得良好的控制效果，为了避免对给定输入信号进行微分且使闭环传递函数成为不包括零点的二阶传递函数，状态误差反馈律可采用PD参数形式：
[0031][0032]其中，e＝v1‑
z1为扩张状态观测器的观测误差，k
p
、k
d
是控制器增益，自抗扰控制是通过扩张状态观测器的观测量对控制信号进行扰动补偿，控制表达式为：
[0033][0034]其中，b0为控制量系数，u为上肢外骨骼系统的控制量，z3是上肢外骨骼系统不确定因素的实时估计值。
[0035]进一步地，还包括驱动系统控制器，所述驱动系统控制器采用PID控制方法对驱动系统进行控制，驱动系统为驱动上肢外骨骼系统运动的系统，在PID控制方法中，设置比例单元P、积分单元I和微分单元D，并设置K
p
、K
i
和K
d
实现上肢外骨骼系统的实际位置与上肢外骨骼系统的期望位置一致，通过PID控制方法获取输出驱动系统的电流：
[0036][0037]其中，U为输出到驱动系统的电流，e是上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统实际位置之间的差值，t为时间，K
p
、K
i
、K
d
分别是比例单元、积分单元和微分单元的增益；
[0038]上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统实际位置之间的差值的计算公式为：
[0039]e(t)＝q(t)
‑
q
d
(t)
[0040]其中，q
d
是上肢外骨骼系统期望关节角度，q为上肢外骨骼系统实际关节角度；
[0041]获取驱动系统的输出力矩T，驱动上肢外骨骼系统运动，动力学方程可表示为：
[0042][0043]其中，T
s
是肩关节的输出力矩，T
e
是肘关节的输出力矩，M，C，G分别是上肢外骨骼系统的惯性矩阵，向心力矩阵，重力矩阵。
[0044]进一步地，所述上肢外骨骼系统是一个多输入多输出系统，因此上肢外骨骼系统表达式可表示为：
[0045][0046]其中，T
s
是肩关节的输出力矩，T
e
是肘关节的输出力矩，是角速度，肩关节的角速度，肘关节的角速度，T
d
是外部干扰，T
ds
是肩关节的外部干扰，T
de
是肘关节的外部干
扰，M、C和G是惯性系数、向心力矢量和重力矢量；
[0047]其中，当惯性矩阵恒为正，可以得到以下方程：
[0048][0049]其中，τ＝M
‑1(q)T，f是系统的总干扰，包括系统误差，外部干扰和耦合等不确定因素，f
s
是肩关节的的总干扰，f
e
是肘关节的的总干扰，经过解耦后，上肢外骨骼系统构成的多输入多输出系统可以分解为两个通道的单输入单输出系统，使得自抗扰控制器分别控制肩关节和肘关节，上式可表示为：
[0050][0051]肩关节状态扩张状态观测器可表示为：
[0052][0053]其中，β
11
，β
12
，β
13
是肩关节的扩张状态观测器增益；
[0054]肘关节的扩张状态观测器可表示为：
[0055][0056]其中，β
21
，β
22
，β
23
是肘关节扩张状态观测器的增益；
[0057]设扩张状态观测器的极点在
‑
ω1，
‑
ω2，扩张状态观测器的极点可根据多项式进行配置：
[0058][0059]其中，ω1，ω2是肩关节扩张状态观测器的带宽和肘关节扩张状态观测器的带宽，扩张状态观测器增益可以表示为：
[0060]β
11
＝3ω1，
[0061]β
21
＝3ω1，
[0062]肩关节的反馈控制器和肘关节的反馈控制器可表达为：
[0063][0064]其中，e1，e2分别是肩关节的扩张状态观测误差和肘关节的扩张状态观测误差，k
11
，k
12
是肩关节的反馈控制器的增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于，包括：步骤S1、在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传感器，检测操作者对多维力传感器的人机相互作用力，构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型；步骤S2、通过阻抗控制模型获取操作手末端的期望位置，由得到的期望位置计算出上肢外骨骼系统中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节角度；步骤S3、通过自抗扰控制器估计上肢外骨骼系统的状态和干扰，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，通过自抗扰控制器将干扰消除。2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：所述步骤S1中，将上肢外骨骼系统与人的相互作用力表示为惯性、阻尼与刚度的线性组合：其中，F
hm
为多维力传感器检测到的人机相互作用力，e是上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统实际位置之间的差值，M为惯性系数，B为阻尼系数，K为刚度系数；对阻抗控制模型建模，考虑上肢外骨骼系统中人机接口的柔性特征，采用弹簧模型进行阻抗控制模型建模，人机接口动力学表达式如下：F
hm
＝K(p
h
‑
p
m
)其中，K为刚度系数，p
h
为操作者手部的位置，即上肢外骨骼系统期望位置，p
m
为上肢外骨骼系统的末端位置，F
hm
为多维力传感器检测到的人机相互作用力。3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，上肢外骨骼系统包括第一机械臂、第二机械臂、肩关节、肘关节和握把，第一机械臂一端与肩关节固定，另一端与和肘关节可转动的连接，第二机械臂一端与肘关节固定，另一端与握把固定，人机交互点设在握把上，操作者手部握住握把，通过上肢外骨骼系统的运动学方程建立上肢外骨骼系统期望位置与肩关节角度和肘关节角度的关系：p
h
＝[l
s
sin(q
ds
)+l
e
sin(q
ds
+q
de
),
‑
l
s
cos(q
ds
)
‑
l
e
cos(q
ds
+q
de
),0]
T
其中，p
h
为操作者手部的位置，即上肢外骨骼系统期望位置，q
ds
为肩关节的期望关节角度，q
de
为肘关节的期望关节角度，l
s
为第一机械臂的长度，l
e
为第二机械臂的长度。4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、扩张状态观测器、线性状态误差补偿和扰动补偿，获取操作者对多维力传感器的人机相互作用力，通过多维力传感器得到给定输入信号，通过跟踪微分器对给定输入信号的微分进行提取，确定适合上肢外骨骼系统中给定输入信号的过渡过程，使得上肢外骨骼系统跟踪过渡过程对应的输出信号；所述扩张状态观测器将上肢外骨骼系统的自身不确定性、外部及环境因素的干扰，转化成含有未知扰动的积分串联环节，将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈，通过线性状态误差补偿和扰动补偿进行实时补充，消除干扰。5.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：通过跟踪过渡过程对应的输出信号，在噪声较大的情况下，将给定输入信号v输入到跟踪微分器，得到平滑的输入信号：
其中，v1，v2是输入信号的跟踪信号；k1，k2为跟踪信号系数。6.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：在步骤S3中，上肢外骨骼系统设有二阶系统：其中，x1、x2是上肢外骨骼系统的状态变量，y是上肢外骨骼系统的输出，u为上肢外骨骼系统的控制量，f(t)表示上肢外骨骼系统的不确定因素，b为控制量系数；针对上肢外骨骼系统设计二阶线性的扩张状态观测器的形式如下；其中，z1，z2是上肢外骨骼系统内部状态变量的实时估计值，z3是上肢外骨骼系统不确定因素的实时估计值，参数β1、β2、β3是扩张状态观测器的系数，起到误差校正作用，b0为控制量系数。7.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法，其特征在于：采用误差...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐靓，曹嘉迅，武明虎，张凡，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：