力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法技术

本发明专利技术公开了力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；本发明专利技术的自抗扰控制器采用线性自抗扰控制设计，将需要整定的参数减小到三个，大大提高了控制方法的设计效率以及控制算法的适用性；本发明专利技术的自抗扰控制器能够通过扩展状态观测器来实时估计并补偿力反馈系统在工作时受到的总干扰，因此具有很强的适应性和鲁棒性，相较于现有线性自抗扰控制技术，本发明专利技术通过跟踪微分器防止力反馈系统中输入控制信号在不连续或带随机扰动的情况下引起的振荡和干扰，以此提高自抗扰控制器的品质

【技术实现步骤摘要】
力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法


[0001]本专利技术涉及力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法
。

技术介绍

[0002]随着人口老龄化现象越来越明显，慢性疾病
、
残疾和运动障碍等疾病也呈上升趋势，自主康复的需求不断增长
。
在中风
、
脊髓损伤
、
肌无力等神经系统疾病或手臂受伤等情况下，许多患者需要进行长期自主康复，但传统的康复方法往往存在局限性
。
例如，传统物理疗法和药物治疗可能无法实现精细个性化康复
。
康复机械手套是一种利用机器人技术为患者提供辅助训练的康复设备，它通过准确感知
、
模仿与控制手部运动，为患者提供个性化康复方案，从而达到提高康复效果的目的
。
通过使用康复机械手套，患者可以更便捷地进行康复，增强个体的康复信心和自信心
。
此外，康复机械手套还可以推动机器人技术的发展，实现智能化
、
个性化康复方案的制定
。
康复机械手套是力反馈机械手的一个应用领域分支，力反馈机械手有着更为广泛的应用前景
。
[0003]而现有的力反馈机械手中力反馈系统所采用的控制器和控制方法存在以下缺陷：一是扰动因素对动力学模型的干扰较大，导致控制器适应性和鲁棒性较差；二是非线性自抗扰控制的参数过于繁多，参数整定过于复杂，导致控制方法的设计效率低
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供力反馈机械手的线性自抗扰控制器及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题
。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：力反馈机械手的线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器
、PD
控制组合和线性扩张状态观测器，所述跟踪微分器的输出端连接有
PD
控制组合，
PD
控制组合的输出端连接有线性扩张状态观测器，且线性扩张状态观测器的输出端连接于
PD
控制组合的输入端
。
[0006]优选的，所述跟踪微分器的输入端连接有信号输入模块，
PD
控制组合的输出端连接有力反馈系统
。
[0007]力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；
[0008]其中上述步骤一中，搭建力反馈机械手运动学模型和动力学模型；
[0009]其中上述步骤二中，确定力反馈系统的状态空间表达式；
[0010]其中上述步骤三中，线性自抗扰控制器处理位移信号具体包括以下步骤：
[0011]1)
信号输入模块获得位移信号
v
，将其输入到跟踪微分器中，跟踪微分器输出
v1信号和
v2信号；
[0012]2)v1信号和
v2信号分别与线性扩张状态观测器的输出
z1和
z2相减得到
PD
控制组合的输入
e1和
e2；
PD
控制组合采用
PD
控制律对离散误差信号
e1和离散误差微分信号
e2进行的
线性组合，计算后得到的输出为
u0；
[0013]3)
在线性扩张状态观测器中扩张原来的状态变量，将环境外扰动和系统内扰动之和的总扰动转变为一个新的状态变量，线性扩张状态观测器的输入信号为
b0u
和
y
，输出为
z1，
z2和
z3；
[0014]其中上述步骤四中，线性自抗扰控制器输出补偿后的控制量
u
作用于力反馈系统，实现精确控制
。
[0015]优选的，所述步骤一中，运动学模型包括弹簧拉力的理论模型和电机通过履带传动的位移模型，公式分别为：
[0016]f(t)
＝
kx
[0017][0018]两式联立并分别求导得到直流电机调速控制量：
[0019][0020]基于二阶力反馈系统的被控对象为：
[0021][0022]可将上式变形得到：
[0023][0024]优选的，所述步骤二中，取状态变量
x1＝
x,x3＝
f
，那么记为扩张后的包括位移
、
速度以及扰动的状态变量，力反馈系统的状态空间表达式为：
[0025][0026]其中，
[0027]优选的，所述步骤三中，跟踪微分器输出的
v1是输入的位移信号
v
的经过过渡后的信号，输出的
v2信号则是位移信号
v1的微分信号；
v1和
v2的离散公式如下：
[0028][0029]跟踪微分器的公式包含一个核心算法部分，即最速控制函数
fhan(v1,v2,r,h0)
，让整个跟踪微分器能够迅速且平稳地跟踪输入信号的变化；其跟踪公式如下：
[0042]可以得到线性扩张状态观测器的增益矩阵为：
[0043]L
＝
[l
1 l
2 l3]T
[0044]将上式展开并对比系数得到其中各参数如下：
[0045][0046]那么代入上式得到二阶力反馈系统模型辅助的线性扩张状态观测器形式如下：
[0047][0048]y
c
＝
z
[0049]当
t
→
∞
时，线性扩张状态观测器中的观测到的状态变量
z1→
x
，
z3→
f
；
[0050]连续的线性扩张状态观测器形式对应的离散线性扩张状态观测器形式为：
[0051][0052]其中，
u
d
(k)
＝
[u(k)y(k)]T
为力反馈系统离散的控制量和状态变量的组合，
y
d
(k)
为离散线性扩张状态观测器的输出，力反馈系统离散化后的系统矩阵分别为
φ
、
Γ
、H
，而
L
c
就是我们需要单独设计的离散线性扩张状态观测器的状态反馈增益矩阵；同理，可以取离散线性扩张状态观测器带宽
β
使得离散的特征方程满足：
[0053]λ
(z)
＝
|zI
‑
(
φ
‑
φ
L
c
H)|
＝
(z
‑
β
)3[0054]所述线性扩张状态观测器包含的参数为
w0和
β
。
[0055]优选的，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
力反馈机械手的线性自抗扰控制器，包括跟踪微分器
(1)、PD
控制组合
(2)
和线性扩张状态观测器
(3)
，其特征在于：所述跟踪微分器
(1)
的输出端连接有
PD
控制组合
(2)
，
PD
控制组合
(2)
的输出端连接有线性扩张状态观测器
(3)
，且线性扩张状态观测器
(3)
的输出端连接于
PD
控制组合
(2)
的输入端
。2.
根据权利要求1所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制器，其特征在于：所述跟踪微分器
(1)
的输入端连接有信号输入模块，
PD
控制组合
(2)
的输出端连接有力反馈系统
。3.
力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，包括步骤一，建立运动学模型和动力学模型；步骤二，确定状态空间表达式；步骤三，线性自抗扰控制器处理位移信号；步骤四，线性自抗扰控制器输出控制量；其特征在于：其中上述步骤一中，搭建力反馈机械手运动学模型和动力学模型；其中上述步骤二中，确定力反馈系统的状态空间表达式；其中上述步骤三中，线性自抗扰控制器处理位移信号具体包括以下步骤：
1)
信号输入模块获得位移信号
v
，将其输入到跟踪微分器
(1)
中，跟踪微分器
(1)
输出
v1信号和
v2信号；
2)v1信号和
v2信号分别与线性扩张状态观测器
(3)
的输出
z1和
z2相减得到
PD
控制组合
(2)
的输入
e1和
e2；
PD
控制组合
(2)
采用
PD
控制律对离散误差信号
e1和离散误差微分信号
e2进行的线性组合，计算后得到的输出为
u0；
3)
在线性扩张状态观测器
(3)
中扩张原来的状态变量，将环境外扰动和系统内扰动之和的总扰动转变为一个新的状态变量，线性扩张状态观测器
(3)
的输入信号为
b0u
和
y
，输出为
z1，
z2和
z3；其中上述步骤四中，线性自抗扰控制器输出补偿后的控制量
u
作用于力反馈系统，实现精确控制
。4.
根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤一中，运动学模型包括弹簧拉力的理论模型和电机通过履带传动的位移模型，公式分别为：
f(t)
＝
kx
两式联立并分别求导得到直流电机调速控制量：基于二阶力反馈系统的被控对象为：可将上式变形得到：
5.
根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤
二中，取状态变量
x1＝
x,x3＝
f
，那么记为扩张后的包括位移
、
速度以及扰动的状态变量，力反馈系统的状态空间表达式为：其中，
C
＝
[1 0 0]。6.
根据权利要求3所述的力反馈机械手的线性自抗扰控制方法，其特征在于：所述步骤三中，跟踪微分器
(1)
输出的
v1是输入的位移信号
v
的经过过渡后的信号，输出的
v2信号则是位移信号
v1的微分信号；
v1和
v2的离散公式如下：跟踪微分器
(1)
的公式包含一个核心算法部分，即最速控制函数
fhan(v1,v2,r,h0)
，让整个跟踪微分器
(1)...

【专利技术属性】
技术研发人员：王一波，张新彬，孙函宇，汪鑫伟，霍建文，冯小龙，张振飞，熊永程，罗晶，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：