【技术实现步骤摘要】
一种下肢外骨骼机器人的控制方法
本专利技术涉及辅助机器人
，具体涉及一种可穿戴助行下肢外骨骼的控制方法。
技术介绍
进入21世纪，中国人口老龄化逐渐加剧，据预测，到2050年，中国老龄人口将达到总人口的三分之一。膝关节炎症则是老年人关节疾病中最主要的一种情况，据统计，60岁以上的老年人中10％的男性和13％的女性都患有关节炎的症状。关节炎带来的膝关节疼痛严重影响患者的行走能力，给老年人的自由出行带来了很多困难。为分担膝关节承受的重量并对行走过程进行助力，下肢外骨骼是一种很有应用前景的解决办法。下肢外骨骼一般分为有动力和无动力两种形式，它与穿戴者进行协同动作，感知穿戴者运动意图，并为其特定关节提供辅助力矩，从而对穿戴者的运动能力进行增强。动力外骨骼一般需要额外的能量源为其作动器提供能量输入，而无动力外骨骼往往采用能量回收的方式，将人体运动过程中的能量通过机构弹性或特制的储能元件进行储存，并按需求进行释放。用于老年人等行动能力较弱者的下肢助行外骨骼一般采用蓄电池方案，如日本Cyberdine公司的HAL，以及Honda公司发布的名为体重支撑系统的外骨骼等。受限于...
【技术保护点】
1.一种下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步，嵌入式单片机利用股部压力传感器分别采集股部与股前侧支撑板、股后侧支撑板之间的接触力Fg1、Fg2、Fg3、Fg4；利用胫部压力传感器分别采集胫部与胫前侧支撑板、胫后侧支撑板之间的接触力Fj1、Fj2、Fj3、Fj4；然后根据下述公式(1)‑(4)，得到反映穿戴者运动意图轨迹的膝关节期望角度信号qd；其中，ELM输入为x＝[Fg1、Fg2、Fg3、Fg4、Fj1、Fj2、Fj3、Fj4]'，输出qd＝f(x)函数为:
【技术特征摘要】
1.一种下肢外骨骼机器人的控制方法，其特征为该方法包括以下步骤：第一步，嵌入式单片机利用股部压力传感器分别采集股部与股前侧支撑板、股后侧支撑板之间的接触力Fg1、Fg2、Fg3、Fg4；利用胫部压力传感器分别采集胫部与胫前侧支撑板、胫后侧支撑板之间的接触力Fj1、Fj2、Fj3、Fj4；然后根据下述公式(1)-(4)，得到反映穿戴者运动意图轨迹的膝关节期望角度信号qd；其中，ELM输入为x＝[Fg1、Fg2、Fg3、Fg4、Fj1、Fj2、Fj3、Fj4]'，输出qd＝f(x)函数为:在输出层，输出节点的数目表示为1；H＝[h1,...,hL]T(隐藏层中隐藏节点的数目表示为L)表示隐层与输出的输出向量之间的非线性特征映射，β＝[β1,...,βL]T是输出权值矩阵；给定输入向量，隐藏节点的输出可以表示为：hi(x)＝G(ai,bi,x),ai∈Rd,bi∈R(2)G(ai,bi,x)函数为sigmoid函数：最终得到输出加权矢量H；在(4)中，是隐藏层输出矩阵：第二步，嵌入式单片机分别利用股部陀螺仪和加速度传感器、胫部陀螺仪和加速度传感器采集股部和胫部的加陀螺仪和加速度信息Gyrog、Accg、Gyroj、Accj，将上述信息利用互补滤波算法得到膝关节角度值q；利用足底压力传感器采集足底压力值Fs；能量收集估计器利用Fs和q估计得到一个步态周期中所收集到的能量E；嵌入式单片机将计算得到的E值与正常步态(1.1m/s)下一个步态周期中所收集到的能量E0比较，通过电磁推杆控制棘爪的释放时间t，来控制能量收集装置的触发；正常步态周期下能量收集装置的触发时间为t0，如果收集到的能量比E0大则早于时间t0释放，如果收集到的能量比E0小则晚于时间t0释放；步骤二中的能量收集估计器算法与步骤一中运动意图预测器所采用的算法一致，均为ELM，在步骤二中的极限学习机输入为x＝[Gyrog、Accg、Gyroj、Accj]'，输出为E＝f(x)；第三步，计算下肢外骨骼动力学模型数学描述表达式：其中D为由能量回收装置所提供助力带来的不确定性干扰和模型不确定性干扰组成的系统的集中总干扰；第四步，干扰观测器(即下述公式(6)-(8))估计系统中集中总干扰D，得到估计值利用对非奇异终端滑模控制器的输出控制力拒τ进行补偿；其中，其中为干扰观测器的输出，z是为便于干扰观测器的设计而定义的辅助变量；L1、L2、L3为待设计的观测器增益矩阵，L1＝diag(l11，l12)，L2＝diag(l21，l22)，l2＝min{l2i}且l2≥||D||，L3＝diag(l31,l32)，l1i,l3i＞0，0＜p＜1；选择李雅普诺夫函数为：对V0求导并结合式(7)和(5)，得到由于l2≥||D||，方程(10)可以重写为其中l1＝min{l1i}，l3＝min{l3i}；对于外骨骼动力学模型(5)，若存在连续可微的正定函数V(x):D→Rn和实数p＞0，q＞0，0＜r＜1，且存在一个包含原点的邻域使则原点局部有限时间稳定；若D0＝D＝Rn且V(x)径向无界，则系统(6)的原点全局有限时间稳定，到达时间根据上述公式(12)-(13)易知对于t≥t1，V0≡0，其中，当t≥t1时得到z＝0，从而可得t≥t1时，定义干扰估计误差由式(5)-(8)得从方程(15)得干扰估计误差有限时间收敛到零，即第五步，通过非奇异终端滑模控制器计算下肢外骨骼模型中的控制力拒τ；通过步骤三中建立的下肢外骨骼动力学模型-即公式(5)，定义跟踪误差e(t)＝qd(t)-q(t)，设计具有较快收敛速度且不会出现奇异点的非奇异终端滑模函数s其中，s＝[s1,s2]T，A＝diag(a1,a2)，B＝diag(b1,b2)，γ1＝diag(γ11,γ12)，γ2＝diag(γ21,γ22)，ai＞0，bi＞0，1＜γ2i＜2，γ1i＞γ2i；滑模函数的微分为：将公式(5)代入上式，得用公式(6)-(8)提出的干扰观测器估计集总干扰对控制器进行补偿，非奇异终端滑模控制器为其中K1＝diag(k11,k12)，K2＝diag(k21,k22)，k1i＞0，k2i＞0，0＜ρ＜1；考虑下肢外骨骼动力学模型-即公式(5)，终端滑模形式的干扰观测器设计为(6)-(8)，如果控制律设计为(20)，则轨迹跟踪误差有限时间收敛到零；选择李雅普诺夫函数对V1微分得将式(19)代入式(22)，得将式(20)代入式(23)，得结合式(16)，当t≥t1时，有其中，当时，K1、K2为正定对角矩阵；其中k1＝min{k1i}＞0，k2＝min{k2i}＞0；结合式(21)，则式(26)为根据下述公式(28...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈玲玲，宋晓伟，马申宇，王婕，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：天津,12
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