具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法及系统，包括：步骤1：根据物理背景建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼；步骤2：设计状态观测器，再基于状态观测器来设计状态反馈控制器，构成闭环控制系统；步骤3：定义Lyapunov函数，通过放缩方法消去不确定项，利用线性矩阵不等式技术证明闭环控制系统的稳定性。本申请通过Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式(LMI)方法基于设计状态观测器后再设计状态反馈控制器。最后，通过物理背景数据验证了该方法的有效性。本申请在考虑到系统的状态、各关节间以及外部不确定因素影响，保证下肢康复外骨骼系统稳定。

Control Method and System of Exoskeleton for Lower Limb Rehabilitation with Model Uncertainty

The invention discloses a control method and system of lower limb rehabilitation exoskeleton with model uncertainty, which includes: step 1: establishing a lower limb rehabilitation exoskeleton with model uncertainty according to physical background; step 2: designing a state observer, then designing a state feedback controller based on the state observer to form a closed-loop control system; step 3: defining the Lyapunov function, and passing through. The over-scaling method eliminates the uncertainties and proves the stability of the closed-loop control system by using linear matrix inequalities (LMIs). This application uses Lyapunov stability theory and linear matrix inequality (LMI) method to design the state feedback controller based on the design of state observer. Finally, the validity of the method is verified by the physical background data. This application takes into account the state of the system, the influence of joint uncertainties and external uncertainties to ensure the stability of the exoskeleton system for lower limb rehabilitation.

【技术实现步骤摘要】
具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法及系统
本专利技术涉及下肢康复外骨骼控制
，尤其涉及一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法。
技术介绍
随着我国经济发展和医疗水平的提高,人均寿命不断提高,随之而来的人口老龄化问题日益突出，身体机能退化和疾病容易导致严重的运动障碍,不仅影响老年人的身体健康,而且需要大量的劳动人员负担照顾、护理工作,增加了社会和患者家庭的负担。因此,安全可靠、患者易接受的康复训练与代步工具研究对老年人与下肢障碍患者的康复与锻炼具有十分重要的意义。下肢康复外骨骼在稳定性、重复性方面有先天的优势,适宜作为养老助残设备使用。近年来，下肢康复外骨骼的控制技术一直是各国外骨骼研究领域的热点，外骨骼要求良好的穿戴性和操作舒适性，这对外骨骼的机械系统设计提出了具体的要求，下肢康复外骨骼作为辅助人进行康复运动要具有安全性、平稳性。所以，从下肢康复外骨骼着手，了解下肢外骨骼运动状态以及控制器设计至关重要，同时也要注意到不确定因素对系统的影响。专利申请号：CN201610953616.X一种不确定性条件下的下肢外骨骼时变可靠性分析方法，通过简化下肢外骨骼模型,建立独本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法，其特征在于，包括：步骤1：根据物理背景建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼；步骤2：先设计状态观测器，再基于状态观测器来设计状态反馈控制器，构成闭环控制系统；步骤3：定义Lyapunov函数，通过放缩方法消去不确定项，利用线性矩阵不等式技术证明闭环控制系统的稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法，其特征在于，包括：步骤1：根据物理背景建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼；步骤2：先设计状态观测器，再基于状态观测器来设计状态反馈控制器，构成闭环控制系统；步骤3：定义Lyapunov函数，通过放缩方法消去不确定项，利用线性矩阵不等式技术证明闭环控制系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法，其特征在于，所述步骤1中建立具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的具体过程为：首先建立下肢康复外骨骼模型：∑FN＝mw2rAN-(m1+m2)sin(θ)＝w2(m1L1+m2L2)∑FT＝marg(m1+m1)cos(θ)-AT＝a(m1L1+m2L2)∑TM＝ITaTM-g(m1L1+m2L2)cos(θ)+gm2L3sin(θ)＝ITaMM＝kmi式中：m为物体质量；r为物体中第i质点和转动轴之间的距离；L1，L2和L3是身体部分和旋转膝发动机轴质心之间的距离；m1，m2分别为腿和脚的质量；AT，AN分别是电机轴上的力的切向分量和垂直分量；TM为电机转矩；θ为膝关节转动角度；IT为总的转动惯量；a为电机轴的加速度；M，MM分别为摩擦力矩和电机扭矩；N1/N2为电动机驱动器和杆之间的扭矩的比例；km是扭矩常数；ζ是与电机的机械旋转系统相关的阻尼系数；Ea为电枢电压；kv是速度常数；R是电枢电阻；v是电源电压；经过以下处理转化为状态空间方程：其中，x＝(x1,x2,x3)为被控对象；u(t)为输入。然后用附加的状态变量x3(t)增加该模型，该状态变量代表位置误差的积分，使得稳态误差为零；其次，加入不确定项因素得出不确定下肢康复外骨骼模型：其中，x∈Rn为被控对象的状态向量；u(t)∈Rm为被控对象的输入向量；y(t)为系统输出；A∈Rn×n、B∈Rn×m、C∈Rq×n分别为系统矩阵、输入矩阵、输出矩阵；ΔA∈Rn×n,ΔB∈Rn×m分别为A和B的不确定项，且满足ΔA＝M1F1O1，ΔB＝M2F2O2；Mi、Oi为已知的定常矩阵，FiT(t)Fi(t)≤I,(i＝1,2,t≥0)；假设(A，C)可观，(A，B)可控。3.根据权利要求1所述的一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法一种具有模型不确定性的下肢康复外骨骼的控制方法，其特征在于，所述步骤2中设计状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊渊，陈军，邱剑彬，宋程，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34