CN112775937B - 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置 - Google Patents

欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112775937B
CN112775937B CN202110017441.2A CN202110017441A CN112775937B CN 112775937 B CN112775937 B CN 112775937B CN 202110017441 A CN202110017441 A CN 202110017441A CN 112775937 B CN112775937 B CN 112775937B
Authority
CN
China
Prior art keywords
hydraulic cylinder
exoskeleton
hydraulic
under
knee joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110017441.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112775937A (zh
Inventor
陈珊
韩腾辉
鹿牧野
封谟伟
偶世龙
冯佳劲
董方方
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hefei University of Technology
Original Assignee
Hefei University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hefei University of Technology filed Critical Hefei University of Technology
Priority to CN202110017441.2A priority Critical patent/CN112775937B/zh
Publication of CN112775937A publication Critical patent/CN112775937A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112775937B publication Critical patent/CN112775937B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1602—Programme controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1679—Programme controls characterised by the tasks executed
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1694—Programme controls characterised by use of sensors other than normal servo-feedback from position, speed or acceleration sensors, perception control, multi-sensor controlled systems, sensor fusion

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明公开了一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置。该控制方法包括：建立物理模型；获得参考位移和实际位移；将实际位移和参考位移作为输入量，中层位置跟踪控制器的输出为虚拟的期望关节驱动力矩；将期望关节力矩转化为期望液压缸输出力，将期望液压缸输出力和实际液压缸输出力作为输入量，将流量转化为电液伺服阀的驱动电压，驱动电压控制液压缸的输出力，带动欠驱动单腿助力外骨骼的各个关节旋转。本发明在液压缸数目少于外骨骼运动自由度数目的情况下，有效克服了欠驱动液压单腿助力外骨骼的多关节强耦合、液压驱动器的高阶非线性和模型不确定性的影响，实现了液压助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果。

Description

欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置
技术领域
本发明涉及可穿戴技术领域的一种外骨骼的控制方法，尤其涉及一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，还涉及一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制装置。
背景技术
可穿戴下肢助力外骨骼机器人是一种模仿人体下肢结构，增强穿戴者行走耐久性、行走速度、负重能力等体能的智能人机一体化装置，在抢险救灾，建筑作业、提高单兵作战能力等方面具有重要作用。外骨骼与人的组合能适应非结构化的环境，拥有极好的灵活性，可以完成一些复杂的工作，这是其他完全机械设备所无法比拟的。液压驱动器由于功率重量比大，且能输出足够大的力，因而非常适用于下肢助力外骨骼这种结构紧凑且重载的系统中。
全驱外骨骼系统由于包含多个驱动器，因而存在自重过大和能耗过高的问题，这会限制系统的负重能力和便携式能源供应系统的续航能力。为进一步降低助力外骨骼机器人的重量和能耗，增强人体运动的灵活性，欠驱液压助力外骨骼机器人逐渐被提出。与全驱外骨骼相比，欠驱外骨骼由于缺少控制输入，导致全驱外骨骼的控制方法不能直接用于欠驱外骨骼系统中。另外，由于液压驱动外骨骼系统的动力学阶数高于电机驱动外骨骼，其控制算法设计会更具挑战性。且多关节欠驱液压外骨骼系统本身具有强耦合高阶非线性以及各种模型不确定性，因此对控制算法的鲁棒性能要求较高。而现有的欠驱外骨骼控制方法主要针对的是电机驱动外骨骼系统，且都只涉及欠驱动外骨骼的初步控制，其动力学模型或控制算法都进行了简化处理，导致系统的鲁棒性能不强。
发明内容
为解决现有的欠驱动液压外骨骼的控制方法的系统鲁棒性能不强的技术问题，本发明提供一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置。
本发明采用以下技术方案实现：一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，所述欠驱动液压单腿助力外骨骼包括：
脚部；
第一杆件，其底端与所述脚部连接；
第二杆件，其底端与所述第一杆件的顶端转动连接；
膝关节液压缸，其用于驱使所述第一连杆与所述第二杆件产生相对转动；
膝关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的上腔；
膝关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的下腔；
膝关节编码器，其安装在所述膝关节液压缸上，并用于驱动所述膝关节液压缸；
背板，其与所述第二杆件的顶端转动连接；
髋关节液压缸，其用于驱使所述背板与所述第二杆件产生相对转动；
髋关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的上腔；
髋关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的下腔；
髋关节编码器，其安装在所述髋关节液压缸上，并用于驱动所述髋关节液压缸；
力传感器，其安装在所述背板上；
背部绑带，其两端连接在所述背板上端；
腰部绑带，其两端连接在所述背板下端；以及
实时控制器，其与所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸、所述膝关节编码器、所述髋关节编码器以及所述力传感器电性连接；所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸均通过一个液压驱动器进行驱动；
其中，所述自适应鲁棒控制方法包括以下步骤：
(1)初始化所述实时控制器的采样周期；
(2)将所述脚部旋转至水平，将所述第一杆件、所述第二杆件以及所述背板旋转至竖直位置，并初始化所述膝关节编码器和所述髋关节编码器且将驱动器数值调零；
(3)初始化所述力传感器，将所述力传感器的数值调零；
(4)建立所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将所述物理模型转化为状态方程；其中，所述物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、所述液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型；
(5)通过所述背部绑带将所述力传感器与穿戴者相连，并测定所述力传感器上的作用力，通过上层控制器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移；
(6)通过所述膝关节编码器和所述髋关节编码器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到所述背板接触处的实际位移；根据步骤(5)得到的参考位移，将所述实际位移和所述参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，所述中层位置跟踪控制器的输出为所述欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩；
(7)通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；将步骤(6)得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将所述期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，所述下层控制器的输出为所述液压驱动器的流量，并将所述流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压；
(8)通过膝关节电液伺服阀的放大板和髋关节电液伺服阀的放大板将步骤(7)中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流；以及
(9)通过各个控制电流控制对应的所述膝关节电液伺服阀和所述髋关节电液伺服阀的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动。
本发明通过将外骨骼系统中踝关节为被动驱动，从而具有更轻的质量、更好的便携式能源供应系统续航能力和更高的负载性能。其动力系统采用具有体积小、质量轻、布局灵活、机构紧凑，而且能够输出较大力或扭矩、动作响应灵敏，易于控制等特点的液压驱动方式。而且，针对欠驱动单腿助力外骨骼增力和跟随问题，考虑穿戴者提供的完整约束，将三自由度欠驱动液压外骨骼系统转化为二自由度全驱动系统。该控制方法采用了力控制方法，利用了多输入多输出自适应鲁棒控制算法(ARC)来设计上下层控制器，有效克服了欠驱动液压单腿助力外骨骼的多关节强耦合和模型不确定性的影响，解决了现有的外骨骼的控制方法系统鲁棒性能不强的技术问题，实现了助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果，具有较强的应用价值。
作为上述方案的进一步改进，所述人机接口模型为：
Figure BDA0002887466200000031
其中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为人机作用力，T为所述采样周期，x,y,z分别为表示三维坐标轴符号，τez为力矩；K＝diag{Kx,Ky,Kz}为人机接口的刚度，xh＝[xhx xhy xhz]T和xe＝[xex xey xez]T分别为所述背板接触处穿戴者的位移和所述外骨骼的位移；
Figure BDA0002887466200000032
为在人机接口上的集中模型不确定性和干扰；
在转化所述物理模型时，通过人机作用力的积分
Figure BDA0002887466200000041
代替Fhm，得到所述状态方程为：
Figure BDA0002887466200000042
所述运动模型为：
Figure BDA0002887466200000043
式中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为接触点的人机作用力，τact＝[τ2 τ3]为所述关节期望驱动力矩，J为系统在所述力传感器处的雅可比矩阵，q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)]T分别为踝关节、膝关节和髋关节的转动角度，Msp3(q)是系统的惯性矩阵，
Figure BDA0002887466200000044
是系统的离心力和科氏力矩阵，Gsp3(q)为系统的重力矩阵，B是系统的阻尼矩阵，
Figure BDA0002887466200000045
是系统的集中建模误差；
所述运动模型进一步转化为：
Figure BDA0002887466200000046
式中，
Figure BDA0002887466200000047
进一步地，所述完整约束模型为：
xez＝xezd(t)
对所述完整约束模型求二阶导数：
Figure BDA0002887466200000048
求出
Figure BDA0002887466200000049
和τez，最终可得到：
Figure BDA00028874662000000410
Figure BDA00028874662000000411
式中，xea＝[xex xey]T,Mea＝u1Mxu4,Bea＝u1J-Tu3,Cea＝u1Cxu4,Gea＝u1Gx,Bxea＝u1Bxu4,Mea2＝u2Mxu4,Cea2＝u2Cxu4,Gea2＝u2Gx,Bxea2＝u2Bxu4,Bea2＝-u2J-Tu3,
Figure BDA0002887466200000051
u2＝[0 0 1],
Figure BDA0002887466200000052
再进一步地，所述液压驱动器的动力学模型为：
Figure BDA0002887466200000053
Figure BDA0002887466200000054
Figure BDA0002887466200000055
Figure BDA0002887466200000056
Figure BDA0002887466200000057
Figure BDA0002887466200000058
xvi＝ui,i＝2,3
式中，xLi是液压缸i的位移，
Figure BDA0002887466200000059
是xLi关于qi的一阶偏导数，P1i,P2i,A1i和A2i分别表示液压缸i内两个腔室的绝对压力和作用面积，V1i＝Vh1i+A1ixLi和V2i＝Vh2i+A2ixLi分别是液压缸i内两个腔室的总容积，Vh1i,Vh2i是qi＝0时液压缸i的两室容积，βe表示体积弹性模量，Q1i,Q2i分别是液压缸i的供给和回流，kq1i和kq2i分别是液压缸i两回路的流量增益系数，xvi是阀芯i的位移值，Ps是供油压力，Pr是油箱里的压力，
Figure BDA00028874662000000510
和
Figure BDA00028874662000000511
代表表示液压驱动器动力学模型中的集中建模误差和不确定干扰。
再进一步地，将所述物理模型转化为所述状态方程的方法包括以下步骤：
(4.1)令状态变量
Figure BDA00028874662000000512
其中F'hm＝[Fhmx Fhmy]T,
Figure BDA0002887466200000061
x4a＝P1＝[P12 P13]T,x5a＝P2＝[P22 P23]T，设集中模型不确定性为：
Figure BDA0002887466200000062
Figure BDA0002887466200000063
(4.2)将所述集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，得到
Figure BDA0002887466200000064
Δin和Δi分别代表
Figure BDA0002887466200000065
的常值部分和时变部分；
(4.3)设
Figure BDA0002887466200000066
其中，
Kθa＝[1/Kx 1/Ky]T,Δ1an＝[Δ1anx Δ1any]T,β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2 J3 J4]T为外骨骼单腿的系统参数，Bθ＝[B1 B2 B3]T,Δ3an＝[Δ3anx Δ3any]T，Δ4an＝[Δ4an1 Δ4an2]T。
再进一步地，所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型的状态方程为：
Figure BDA0002887466200000067
Figure BDA0002887466200000068
Figure BDA0002887466200000069
τact＝hFL
Figure BDA00028874662000000612
QL＝Kqu
其中：Kxy＝diag{Kx,Ky}
Figure BDA00028874662000000610
A1＝diag{A12,A13}
A2＝diag{A22,A23}
FL＝A1x4-A2x5
Figure BDA00028874662000000611
Figure BDA0002887466200000071
Figure BDA0002887466200000072
Ku＝diag{Kq1,Kq2}。
再进一步地，所述上层控制器的控制方法包括以下步骤：
根据步骤(4)中的物理模型的状态方程，设第一跟踪误差为z1a＝x1a-x1ad，其中x1ad为x,y方向上期望的人机作用力的积分，取值为0；设xm为第一虚拟控制输入，第一虚拟控制输入xm用于使人机作用力的第一跟踪误差z1a快速趋向于零；
设xm＝xma+xms+xmsn，其中
Figure BDA0002887466200000073
xms＝K1z1a，fθF和YθF是由xma的参数线性化得到且fθF＝[0 0]T，
Figure BDA0002887466200000074
Figure BDA0002887466200000075
分别为x,y方向上的期望的人机作用力，K1＝diag{K1x,K1y}是线性反馈增益矩阵，
Figure BDA0002887466200000076
是θF的估计值，且估计值的范围为：
Figure BDA0002887466200000077
其中
Figure BDA0002887466200000078
为对参数θF的估计值
Figure BDA0002887466200000079
的最小值，
Figure BDA00028874662000000710
为对参数θF的估计值
Figure BDA00028874662000000711
的最大值；估计值
Figure BDA00028874662000000712
在所述上层控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000000713
得到，其中
Figure BDA00028874662000000714
Γ1是正定增益矩阵，
Figure BDA00028874662000000715
的映射函数为：
Figure BDA00028874662000000716
式中，·i为自变量；xmsn满足：
Figure BDA00028874662000000717
Figure BDA00028874662000000718
式中，
Figure BDA00028874662000000719
是估计值
Figure BDA00028874662000000720
减去实际值θF，
Figure BDA00028874662000000721
ε1是阈值且为任意非负数；
根据第一虚拟控制输入xmi,i＝1,2，并通过一个三阶滤波器进行平滑处理，得到外骨骼的参考位移、参考速度和参考加速度；其中，三阶滤波器的状态方程为：
Figure BDA0002887466200000081
Figure BDA0002887466200000082
Figure BDA0002887466200000083
Figure BDA0002887466200000084
令yi代表外骨骼参考位移，设yi(s)＝xmi(s)，xi(1),xi(2),xi(3)分别代表滤波后的参考位移、参考速度和参考加速度，则yi到xi(1)传递函数为：
Figure BDA0002887466200000085
通过所述传递函数，获得xmi转化为所需要的平滑的外骨骼参考位移xi(1)；其中，a1,a2,a3通过极点配置获得。
再进一步地，所述中层位置跟踪控制器的设计方法包括以下步骤：
设第二跟踪误差
Figure BDA0002887466200000086
其中
Figure BDA0002887466200000087
定义一个转换方程：
Figure BDA0002887466200000088
其中，K2取任意的非负数，z3是第三跟踪误差；z2和z3的传递函数为
Figure BDA0002887466200000089
令Bxeax3a＝YBBθ，
Figure BDA00028874662000000810
其中β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2 J3J4]T,Y2,Y3,Y4,X4,J2,J3,J4均为机械结构的模型参数，Bθ＝[B1 B2 B3]T为系统的阻尼；控制τact的确定方法为：τact＝τacta+τacts+τactsn，其中
Figure BDA00028874662000000811
K3是线性反馈增益，
Figure BDA00028874662000000812
Figure BDA00028874662000000813
分别是β，Bθ，Δ3an的估计值，
Figure BDA00028874662000000814
其中
Figure BDA00028874662000000815
为对参数θq的估计值
Figure BDA00028874662000000816
的最小值，
Figure BDA00028874662000000817
为对参数θq的估计值
Figure BDA00028874662000000818
的最大值；估计值
Figure BDA00028874662000000819
的值在所述中层位置跟踪控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000000820
得到，其中
Figure BDA00028874662000000821
Γ2是正定增益矩阵，
Figure BDA00028874662000000822
的映射函数为：
Figure BDA0002887466200000091
式中，·i为自变量；
令
Figure BDA0002887466200000092
τactsn满足：
Figure BDA0002887466200000093
Figure BDA0002887466200000094
式中，
Figure BDA0002887466200000095
是估计值
Figure BDA0002887466200000096
减去实际值θq，
Figure BDA0002887466200000097
ε3是阈值且为任意非负数。
再进一步地，所述下层控制器的设计方法包括以下步骤：
定义此阶段的跟踪误差：z4＝FL-FLd，其中FL为液压缸的实际输出力，FLd为中层控制器计算出来的液压缸期望输出力，结合此阶段的动力学建模，此阶段的误差方程写作：
Figure BDA0002887466200000098
控制QL的方法设定为：QLd＝QLda+QLds，其中
Figure BDA0002887466200000099
Figure BDA00028874662000000910
Figure BDA00028874662000000911
Figure BDA00028874662000000912
是对βe，Δ4an的估计值，
Figure BDA00028874662000000913
其中
Figure BDA00028874662000000914
为对参数θu的估计值
Figure BDA00028874662000000915
的最小值，
Figure BDA00028874662000000916
为对参数θu的估计值
Figure BDA00028874662000000917
的最大值；估计值
Figure BDA00028874662000000918
的值在所述下层位置跟踪控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000000919
得到，其中
Figure BDA00028874662000000920
Γ3是正定增益矩阵，
Figure BDA00028874662000000921
的映射函数为：
Figure BDA00028874662000000922
式中，·i为自变量；
令
Figure BDA00028874662000000923
QLdsn满足：
Figure BDA0002887466200000101
z4βeQLdsn≤0
式中，
Figure BDA0002887466200000102
是估计值
Figure BDA0002887466200000103
减去实际值θu，
Figure BDA0002887466200000104
ε4是阈值且为任意非负数；
根据虚拟控制输入QL，得到电液伺服阀的控制电压u为：
Figure BDA0002887466200000105
本发明还提供一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制装置，其应用上述任意所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其包括：
初始化模块一，其用于初始化所述实时控制器的采样周期；
初始化模块二，其用于将所述脚部旋转至水平，将所述第一杆件、所述第二杆件以及所述背板旋转至竖直位置，并初始化所述膝关节编码器和所述髋关节编码器且将驱动器数值调零；
初始化模块三，其用于初始化所述力传感器，将所述力传感器的数值调零；
模型建立模块，其用于建立所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将所述物理模型转化为状态方程；其中，所述物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、所述液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型；
参考位移获取模块，其用于通过所述背部绑带将所述力传感器与穿戴者相连，并测定所述力传感器上的作用力，通过上层控制器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移；
实际位移获取模块，其用于通过所述膝关节编码器和所述髋关节编码器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到所述背板接触处的实际位移；所述实际位移获取模块根据所述参考位移获取模块得到的参考位移，将所述实际位移和所述参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，所述中层位置跟踪控制器的输出为所述欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩；
伺服阀控制电压获取模块，其用于通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；所述伺服阀控制电压获取模块将所述实际位移获取模块得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将所述期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，所述下层控制器的输出为所述液压驱动器的流量，并将所述流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压；
转化模块，其用于通过膝关节电液伺服阀的放大板和髋关节电液伺服阀的放大板将所述伺服阀控制电压获取模块中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流；以及
跟随模块，其用于通过各个控制电流控制对应的所述膝关节电液伺服阀和所述髋关节电液伺服阀的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动。
相较于现有的外骨骼的控制方法，本发明的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置具有以下有益效果：
1、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其外骨骼系统中踝关节为被动驱动，从而具有更轻的质量、更好的便携式能源供应系统续航能力和更高的负载性能。
2、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其动力系统采用具有体积小、质量轻、布局灵活、机构紧凑，而且能够输出较大力或扭矩、动作响应灵敏，易于控制等特点的液压驱动方式。
3、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其传感器系统主要由力传感器和旋转编码器来实现较有效、可靠的人-机交互，而且，针对欠驱动液压单腿助力外骨骼增力和跟随问题，考虑穿戴者提供的完整约束，将三自由度欠驱动液压外骨骼系统转化为二自由度全驱动系统。
4、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其采用了力控制方法，利用了多输入多输出自适应鲁棒控制算法(ARC)来，采用级联力控制方法，设计上中下三层控制器，在控制输入数目少于外骨骼运动自由度数目的情况下，有效克服了欠驱动液压单腿助力外骨骼的多关节强耦合和模型不确定性的影响，对控制模型做前馈补偿来保证静态下的零跟踪误差，通过设计的鲁棒反馈来保证欠驱动液压助力外骨骼系统的动态特性和稳定性，解决了现有的外骨骼的控制方法系统鲁棒性能不强的技术问题，实现了助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果，具有较强的应用价值。
5、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其充分考虑穿戴者对外骨骼的控制作用，减少了液压缸的使用和能源的消耗，在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。
6、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其将外骨骼穿戴者作为系统控制的参与者，在行走平面内，穿戴者可以保证整个系统的前后行走平衡，避免外骨骼发生摔倒。同时，该方法利用级联控制策略，设计上下层控制器，实现对欠驱动助力外骨骼的轨迹规划和轨迹跟踪，控制方法实现简单，易于工程实现，且控制灵活。
7、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制装置，其有益效果与上述欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法的有益效果相同。
附图说明
图1为本发明实施例1的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法所应用的欠驱动液压单腿助力外骨骼的整体形状结构示意图。
图2为图1中的欠驱动液压单腿助力外骨骼的正视图。
图3为图1中的欠驱动液压单腿助力外骨骼的侧视图。
图4为本发明实施例1的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法的控制框图。
图5为本发明实施例1的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法的控制流程图。
符号说明：
1.脚部；
2.第一杆件；
3.膝关节编码器；
4.膝关节液压缸；
5.膝关节液压缸下腔压力传感器；
6.第二杆件；
7.膝关节液压缸上腔压力传感器；
8.髋关节编码器；
9.底板；
10.髋关节液压缸上腔压力传感器；
11.髋关节液压缸下腔压力传感器；
12.髋关节液压缸；
13.膝关节电液伺服阀；
14.髋关节电液伺服阀；
15.背板；
16.背部绑带；
17.腰部绑带；
18.力传感器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，该控制方法用于对一种欠驱动液压单腿助力外骨骼进行控制。该欠驱动液压单腿助力外骨骼包括欠驱动液压单腿助力外骨骼进行控制。该欠驱动液压单腿助力外骨骼包括脚部1、第一杆件2、膝关节编码器3、膝关节液压缸4、膝关节液压缸下腔压力传感器5、第二连杆6、膝关节液压缸上腔压力传感器7、髋关节编码器8、底板9、髋关节液压缸上腔压力传感器10、髋关节液压缸下腔压力传感器11、髋关节液压缸12、膝关节电液伺服阀13、髋关节电液伺服阀14、背板15、背部绑带16、腰部绑带17、力传感器18以及实时控制器(图中未示出)。其中，膝关节编码器3和髋关节减速器9均为关节旋转编码器，而背板10与底板9通过螺栓连接。
脚部1作为欠驱动液压单腿助力外骨骼与地面的接触部分，其能够支撑起整个外骨骼，作用类似于人体的脚。第一杆件2的底端与脚部1连接，可以为活动连接，也可以通过其他连接方式进行连接。第二杆件6的底端与第一杆件2的顶端转动连接(可以通过铰链连接)，而膝关节液压缸4用于驱使第一连杆2与第二杆件6产生相对转动。膝关节编码器3安装在膝关节上(可以设置在通过铰链连接处)，在本实施例中，膝关节液压缸4驱使第一连杆2与第二杆件6相对转动。底板9与第二杆件6的顶端转动连接(可以图示装置连接)，髋关节液压缸12则用于驱使底板9与第二杆件6产生相对转动。髋关节编码器8安装在髋关节上，在本实施例中，髋关节液压缸12驱使底板9与第二杆件6相对转动。力传感器18安装在背板15和背部绑带16上，腰部绑带17的两端连接在背板15下端。
膝关节液压缸上腔压力传感器7则用于检测膝关节液压缸4的上腔的压力，而膝关节液压缸下腔压力传感器5则用于检测膝关节液压缸4的下腔的压力，髋关节液压缸上腔压力传感器10、髋关节液压缸下腔压力传感器11分别用于检测髋关节液压缸12的上下腔的压力值。膝关节电液伺服阀13用于对膝关节液压缸4进行控制，髋关节电液伺服阀14用于对髋关节液压缸12进行控制。实时控制器与膝关节电液伺服阀13、髋关节电液伺服阀14、髋关节液压缸12、膝关节液压缸4、膝关节编码器3、髋关节编码器8、膝关节液压缸上腔压力传感器7、膝关节液压缸下腔压力传感器5、髋关节液压缸上腔压力传感器10、髋关节下腔压力传感器11以及力传感器18电性连接。其中，实时控制器可采用的型号为NI cRIO-9031的产品，但不限于此。
请参阅图4以及图5，基于上述欠驱动液压单腿助力外骨骼，为了克服欠驱动液压助力外骨骼因驱动器数目少于系统自由度数目所导致的二阶非完整性，本实施例将外骨骼穿戴者作为系统控制的参与者，在行走平面内，穿戴者可以保证整个系统的前后行走平衡，避免外骨骼发生摔倒。因此，假设穿戴者能提供一个绕z轴旋转的平衡力矩，使得外骨骼背板的转角按照一个有界的轨迹运动。考虑穿戴者提供的完整约束，最终将一个关节角度空间的三自由度欠驱动系统变成了一个关于外骨骼背板笛卡尔位置的二自由度全驱动系统。为了克服欠驱动助力外骨骼在建模过程中存在的不确定性的影响，实现了助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果，本实施例中欠驱动液压单腿助力外骨骼控制策略采用了可以很好克服模型不确定性的影响的自适应鲁棒控制(ARC)。自适应鲁棒控制(ARC)的原理是通过设计自适应率来不断调整模型参数，对控制模型做前馈补偿来保证静态下的零跟踪误差，通过设计的鲁棒反馈来保证欠驱动助力外骨骼系统的动态特性和稳定性。同时，利用级联控制策略，设计上下层控制器，实现对欠驱动助力外骨骼的轨迹规划和轨迹跟踪，控制算法实现简单，易于工程实现，且控制灵活。因此，具体实现时，本实施例中的自适应鲁棒力控制方法包括以下这些步骤。
(1)初始化实时控制器的采样周期。在本实施例中，采样周期T的值在10到20毫秒之间。
(2)将脚部1旋转至水平，并将第一杆件2、第二杆件6以及背板15旋转至竖直位置，并初始化膝关节编码器3和髋关节编码器8且将编码器数值调零。
(3)初始化膝关节液压缸下腔压力传感器5、膝关节液压缸上腔压力传感器7和力传感器18，将传感器的数值调零。
(4)建立欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将物理模型转化为状态方程。其中，物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型。
人机接口模型为：
Figure BDA0002887466200000141
其中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为人机作用力，T为采样周期，x,y,z分别为表示三维坐标轴符号，τez为力矩。K＝diag{Kx,Ky,Kz}为人机接口的刚度，xh＝[xhx xhy xhz]T和xe＝[xexxey xez]T分别为背部绑带16接触处穿戴者的位移和外骨骼背板15的位移。
Figure BDA0002887466200000151
为在人机接口上的集中模型不确定性和干扰。
在转化物理模型时，人机接口模型是一个静态的方程，所以Fhm、xh和xe之间的关系是静态的，为了可以动态控制人机作用力Fhm，通过人机作用力的积分
Figure BDA0002887466200000152
代替Fhm，得到状态方程为：
Figure BDA0002887466200000153
运动模型为：
Figure BDA0002887466200000154
式中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为接触点的人机作用力，τact为关节期望驱动力矩，J为系统在力传感器11处的雅可比矩阵，q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)]T分别为踝关节、膝关节和髋关节的转动角度，Msp3(q)是系统的惯性矩阵，
Figure BDA0002887466200000155
是系统的离心力和科氏力矩阵，Gsp3(q)为系统的重力矩阵，B是系统的阻尼矩阵，
Figure BDA0002887466200000156
是系统的集中建模误差。
因为：
Figure BDA0002887466200000157
Figure BDA0002887466200000158
运动模型可以进一步转化为：
Figure BDA0002887466200000159
式中，
Figure BDA00028874662000001510
由于欠驱动液压助力外骨骼系统缺少控制输入，导致穿戴者需要提供一定的控制力矩以保证整个系统的稳定性。在行走平面内，穿戴者可以保证整个系统的前后行走平衡，避免外骨骼发生摔倒。因此，假设穿戴者能提供一个绕z轴旋转的平衡力矩τez，使得外骨骼背板的转角按照一个有界的轨迹xezd(t)运动，即穿戴者提供的完整约束模型：
xez＝xezd(t)
对其求二阶导数，可以得到
Figure BDA0002887466200000161
综合上述运动模型，完整约束模型可知，存在四个未知量
Figure BDA0002887466200000162
四个相关方程，所以以τact为输入，可以求出
Figure BDA0002887466200000163
和τez，最终可得到：
Figure BDA0002887466200000164
Figure BDA0002887466200000165
式中，xea＝[xex xey]T,Mea＝u1Mxu4,Bea＝u1J-Tu3,Cea＝u1Cxu4,Gea＝u1Gx,Bxea＝u1Bxu4,Mea2＝u2Mxu4,Cea2＝u2Cxu4,Gea2＝u2Gx,Bxea2＝u2Bxu4,Bea2＝-u2J-Tu3,
Figure BDA0002887466200000166
u2＝[0 0 1],
Figure BDA0002887466200000167
液压驱动器的动力学模型为：
Figure BDA0002887466200000171
Figure BDA0002887466200000172
Figure BDA0002887466200000173
Figure BDA0002887466200000174
Figure BDA0002887466200000175
Figure BDA0002887466200000176
Figure BDA0002887466200000177
式中，xLi是液压缸i的位移，
Figure BDA0002887466200000178
是xLi关于qi的一阶偏导数，P1i,P2i,A1i和A2i分别表示液压缸i内两个腔室的绝对压力和作用面积，V1i＝Vh1i+A1ixLi和V2i＝Vh2i+A2ixLi分别是液压缸i内两个腔室的总容积，Vh1i,Vh2i是qi＝0时液压缸i的两室容积，βe表示有效体积模量，Q1i,Q2i分别是液压缸i的供给和回流，kq1i和kq2i分别是液压缸i两回路的流量增益系数，xvi是阀芯i的位移值，Ps是供油压力，Pr是油箱里的压力，
Figure BDA0002887466200000179
和
Figure BDA00028874662000001710
代表表示液压驱动器动力学模型中的集中建模误差和不确定干扰。
将物理模型转化为状态方程的方法包括以下步骤：
(4.1)令状态变量
Figure BDA00028874662000001711
其中F'hm＝[Fhmx Fhmy]T,
Figure BDA00028874662000001712
x4a＝P1＝[P12 P13]T,x5a＝P2＝[P22 P23]T，设集中模型不确定性为：
Figure BDA00028874662000001713
Figure BDA00028874662000001714
(4.2)将集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，得到
Figure BDA00028874662000001715
Δin和Δi分别代表
Figure BDA00028874662000001716
的常值部分和时变部分；
(4.3)设
Figure BDA0002887466200000181
其中，
Kθa＝[1/Kx 1/Ky]T,Δ1an＝[Δ1anx Δ1any]T,β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2 J3 J4]T为外骨骼单腿的系统参数，Bθ＝[B1 B2 B3]T,Δ3an＝[Δ3anx Δ3any]T，Δ4an＝[Δ4an1 Δ4an2]T。
本实施例进一步进行处理，欠驱动单腿助力外骨骼的物理模型的状态方程为：
Figure BDA0002887466200000182
Figure BDA0002887466200000183
Figure BDA0002887466200000184
τact＝hPL
Figure BDA0002887466200000185
{Q_L}＝{K_q}u
其中，Kxy＝diag{Kx,Ky}
Figure BDA0002887466200000186
A1＝diag{A12,A13}
A2＝diag{A22,A23}
FL＝A1x4-A2x5
Figure BDA0002887466200000187
Figure BDA0002887466200000188
Figure BDA0002887466200000189
Ku＝diag{Kq1,Kq2}
(5)通过背板15和背部绑带16将力传感器18与穿戴者相连，并测定力传感器18上的作用力，通过上层控制器获得欠驱动单腿助力外骨骼的参考位移。
其中，上层控制器的控制方法包括以下步骤：
根据步骤(4)中的物理模型的状态方程，设第一跟踪误差为z1a＝x1a-x1ad，其中x1ad为x,y方向上期望的人机作用力的积分，取值为0；设xm为第一虚拟控制输入，第一虚拟控制输入xm用于使人机作用力的第一跟踪误差z1a快速趋向于零；
设xm＝xma+xms+xmsn，其中
Figure BDA0002887466200000191
xms＝K1z1a，fθF和YθF是由xma的参数线性化得到且fθF＝[0 0]T，
Figure BDA0002887466200000192
Figure BDA0002887466200000193
分别为x,y方向上的期望的人机作用力，K1＝diag{K1x,K1y}是线性反馈增益矩阵。在本实施例中，取K1＝diag{13,20}，。
Figure BDA0002887466200000194
是θF的估计值，且估计值的范围为：
Figure BDA0002887466200000195
在本实施例中取初始值为
Figure BDA0002887466200000196
其中
Figure BDA0002887466200000197
为对参数θF的估计值
Figure BDA0002887466200000198
的最小值，在本实施例中，取
Figure BDA0002887466200000199
Figure BDA00028874662000001910
为对参数θF的估计值
Figure BDA00028874662000001911
的最大值在本实施例中，取
Figure BDA00028874662000001912
估计值
Figure BDA00028874662000001913
在上层控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000001914
得到，其中
Figure BDA00028874662000001915
Γ1是正定增益矩阵，在本实施例中取Γ1＝diag{0,0,100,100}，
Figure BDA00028874662000001916
的映射函数为：
Figure BDA00028874662000001917
式中，·i为自变量。
根据自适应鲁棒(ARC)控制算法，xmsn满足：
Figure BDA00028874662000001918
Figure BDA00028874662000001919
式中，
Figure BDA00028874662000001920
是估计值
Figure BDA00028874662000001921
减去实际值θF，
Figure BDA00028874662000001922
ε1是阈值且为任意非负数。在本实施例中，设定为ε1＝[1 1]T，选取xmsn＝[0 0]T。
根据第一虚拟控制输入xmi,i＝1,2，并通过一个三阶滤波器进行平滑处理，得到外骨骼的参考位移、参考速度和参考加速度；其中，三阶滤波器的状态方程为：
Figure BDA0002887466200000201
Figure BDA0002887466200000202
Figure BDA0002887466200000203
Figure BDA0002887466200000204
令yi代表外骨骼参考位移，设yi(s)＝xmi(s)，xi(1),xi(2),xi(3)分别代表滤波后的参考位移、参考速度和参考加速度，则yi到xi(1)传递函数为：
Figure BDA0002887466200000205
通过传递函数，获得xmi转化为所需要的平滑的外骨骼参考位移xi(1)；其中，a1,a2,a3通过极点配置获得。本实施例中设定闭环极点为20弧度每秒，得到a1,a2,a3,a4的值分别为a1＝80,a2＝2400,a3＝32000，实际可不限于此。
(6)通过膝关节编码器3和髋关节编码器8获得欠驱动单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到背板15接触处的实际位移。根据步骤(5)得到的参考位移，将实际位移和参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，中层位置跟踪控制器的输出为欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩。
在本实施例中，中层位置跟踪控制器的设计方法包括以下步骤：
设第二跟踪误差
Figure BDA0002887466200000206
其中
Figure BDA0002887466200000207
定义一个转换方程：
Figure BDA0002887466200000208
其中，K2取任意的非负数，z3是第三跟踪误差。z2和z3的传递函数为
Figure BDA0002887466200000209
该传递函数是一个稳定的传递函数，故要使z2很小或者趋于零就是使z3很小或者趋于零。所以中层位置跟踪控制器的设计就是让z3保证动态性能的前提下尽可能的小。
令Bxeax3a＝YBBθ，
Figure BDA00028874662000002010
其中β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2J3 J4]T,Y2,Y3,Y4,X4,J2,J3,J4均为机械结构的模型参数，Bθ＝[B1 B2 B3]T为系统的阻尼。控制τact的确定方法为：τact＝τacta+τacts+τactsn，其中
Figure BDA00028874662000002011
Figure BDA00028874662000002012
K3是线性反馈增益，在本实施例中，取K3＝[12000 12000]T。
Figure BDA00028874662000002013
分别是β，Bθ，Δ3an的估计值，
Figure BDA0002887466200000211
在本实施例中，取初始值为
Figure BDA0002887466200000212
。根据物理模型，可以得到估计值的范围为：
Figure BDA0002887466200000213
其中
Figure BDA0002887466200000214
为对参数θq的估计值
Figure BDA0002887466200000215
的最小值，
Figure BDA0002887466200000216
为对参数θq的估计值
Figure BDA0002887466200000217
的最大值。在本实施例中，选取范围为
Figure BDA0002887466200000218
Figure BDA0002887466200000219
估计值
Figure BDA00028874662000002110
的值在中层位置跟踪控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000002111
得到，其中
Figure BDA00028874662000002112
Γ2是正定增益矩阵，在本实施例中，选取为Γ2＝diag{100,0,0,0,100,0,0,0,0,0,100,100}，
Figure BDA00028874662000002113
的映射函数为：
Figure BDA00028874662000002114
式中，·i为自变量。
令
Figure BDA00028874662000002115
根据自适应鲁棒(ARC)控制算法，τactsn满足以下两个条件：
Figure BDA00028874662000002116
Figure BDA00028874662000002117
式中，
Figure BDA00028874662000002118
是估计值
Figure BDA00028874662000002119
减去实际值θq，
Figure BDA00028874662000002120
ε3是阈值且为任意非负数。在本实施例中，选取ε3＝[1 1]T，选取
Figure BDA00028874662000002121
(7)通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器7、膝关节液压缸下腔压力传感器5获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器10、髋关节液压缸下腔压力传感器11获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；将步骤(6)得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸期望输出力；将期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，下层液压缸输出力跟踪控制器的输出为电液伺服阀的控制电压；在本实施例中，下层位置跟踪控制器的设计方法包括以下步骤：
设第四跟踪误差z4＝FL-FLd，其中FL为液压缸的实际输出力，FLd为中层控制器计算出来的液压缸期望输出力，结合此阶段的动力学建模，此阶段的误差方程可以写作：
Figure BDA0002887466200000221
控制QL的方法可以设定为：QLd＝QLda+QLds，其中
Figure BDA0002887466200000222
k4是线性反馈增益，在本实施例中，取k4＝[100 100]T。
Figure BDA0002887466200000223
是对βe，Δ4an的估计值，
Figure BDA0002887466200000224
在本实施例中，取初始值为θu＝[8.7*107 8.7*107 0 0]T，根据物理模型，可以得到估计值的范围：
Figure BDA0002887466200000225
其中
Figure BDA0002887466200000226
为对参数θu的估计值
Figure BDA0002887466200000227
的最小值，
Figure BDA0002887466200000228
为对参数θu的估计值
Figure BDA0002887466200000229
的最大值；在本实施例中，选取范围为
Figure BDA00028874662000002210
估计值
Figure BDA00028874662000002211
的值在下层位置跟踪控制器中由自适应率
Figure BDA00028874662000002212
得到，其中，
Figure BDA00028874662000002213
Γ3是正定增益矩阵，在本实施例中，取初始值为Γ3＝diag{1*1010 1*1010 1 1}，
Figure BDA00028874662000002214
的映射函数为：
Figure BDA00028874662000002215
式中，·i为自变量；
令
Figure BDA00028874662000002216
根据自适应鲁棒(ARC)控制算法QLdsn满足：
Figure BDA00028874662000002217
z4βeQLdsn≤0
式中，
Figure BDA00028874662000002218
是估计值
Figure BDA00028874662000002219
减去实际值θu，
Figure BDA00028874662000002220
ε4是阈值且为任意非负数。在本实施例中，选取ε4＝[1 1]T，选取QLdsn＝[0 0]T。
根据虚拟控制输入QL和转换公式得到对应电液伺服阀的控制电压u为：
Figure BDA0002887466200000231
(8)通过膝关节电液伺服阀放大板和髋关节电液伺服阀放大板将步骤(7)中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流。
(9)通过控制电流控制伺服阀的阀芯位移来控制膝关节液压缸4和髋关节液压缸12两端的压力，推动液压缸运动，实现膝关节液压缸4和髋关节液压缸12的输出力控制，带动欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动。
综上所述，相较于现有的外骨骼的控制方法，本实施例的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法具有以下优点：
1、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其外骨骼系统中踝关节为被动驱动，从而具有更轻的质量、更好的便携式能源供应系统续航能力和更高的负载性能。
2、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其动力系统采用具有体积小、质量轻、布局灵活、机构紧凑，而且能够输出较大力或扭矩、动作响应灵敏，易于控制等特点的液压驱动方式。
3、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其传感器系统主要由力传感器和旋转编码器来实现较有效、可靠的人-机交互，而且，针对欠驱动液压单腿助力外骨骼增力和跟随问题，考虑穿戴者提供的完整约束，将三自由度欠驱动液压外骨骼系统转化为二自由度全驱动系统。
4、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其采用了力控制方法，利用了多输入多输出自适应鲁棒控制算法(ARC)来，采用级联力控制方法，设计上中下三层控制器，在控制输入数目少于外骨骼运动自由度数目的情况下，有效克服了欠驱动液压单腿助力外骨骼的多关节强耦合和模型不确定性的影响，对控制模型做前馈补偿来保证静态下的零跟踪误差，通过设计的鲁棒反馈来保证欠驱动液压助力外骨骼系统的动态特性和稳定性，解决了现有的外骨骼的控制方法系统鲁棒性能不强的技术问题，实现了助力外骨骼对人运动的良好跟随和助力效果，具有较强的应用价值。
5、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其充分考虑穿戴者对外骨骼的控制作用，减少了液压缸的使用和能源的消耗，在人机间交互问题上有效、可靠，并具有对人体运动意图快速响应的特点。
6、该欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其将外骨骼穿戴者作为系统控制的参与者，在行走平面内，穿戴者可以保证整个系统的前后行走平衡，避免外骨骼发生摔倒。同时，该方法利用级联控制策略，设计上下层控制器，实现对欠驱动助力外骨骼的轨迹规划和轨迹跟踪，控制方法实现简单，易于工程实现，且控制灵活。
实施例2
本实施例提供了一种欠驱动液压单腿助力外骨骼，该外骨骼与实施例1中的欠驱动液压单腿助力外骨骼相似，区别在于本实施例中的实时控制器直接执行实施例1中的自适应鲁棒力控制方法，使外骨骼的各部分实现对人运动的良好跟随和助力效果。
实施例3
本实施例提供了一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制装置，该装置应用实施例1中的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法。其中，该控制装置包括初始化模块一、初始化模块二、初始化模块三、模型建立模块、参考位移获取模块、实际位移获取模块、伺服阀控制电压获取模块、转化模块以及跟随模块。
初始化模块一用于初始化实时控制器的采样周期，而且采样周期在10到20毫秒之间。初始化模块二用于将脚部1旋转至水平，将第一杆件2、第二杆件6以及背板15旋转至竖直位置，并初始化膝关节编码器3和髋关节编码器8且将驱动器数值调零。初始化模块三用于初始化力传感器18，将力传感器18的数值调零。
模型建立模块用于建立欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将物理模型转化为状态方程。其中，物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型。参考位移获取模块用于通过背部绑带16将力传感器18与穿戴者相连，并测定力传感器18上的作用力，通过上层控制器获得欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移。实际位移获取模块用于通过膝关节编码器3和髋关节编码器8获得欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到背板15接触处的实际位移。实际位移获取模块根据参考位移获取模块得到的参考位移，将实际位移和参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，中层位置跟踪控制器的输出为欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩。
伺服阀控制电压获取模块用于通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力。所述伺服阀控制电压获取模块将实际位移获取模块得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，下层控制器的输出为液压驱动器的流量，并将流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压。转化模块用于通过膝关节电液伺服阀13的放大板和髋关节电液伺服阀14的放大板将伺服阀控制电压获取模块中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流。跟随模块用于通过各个控制电流控制对应的膝关节电液伺服阀13和髋关节电液伺服阀14的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动。
实施例4
本实施例提供一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现实施例1的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法的步骤。
实施例1的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例1的方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。
实施例5
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。程序被处理器执行时，实现实施例1的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法的步骤。
实施例1的方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述欠驱动液压单腿助力外骨骼包括：
脚部；
第一杆件，其底端与所述脚部连接；
第二杆件，其底端与所述第一杆件的顶端转动连接；
膝关节液压缸，其用于驱使所述第一杆件与所述第二杆件产生相对转动；
膝关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的上腔；
膝关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述膝关节液压缸的下腔；
膝关节编码器，其安装在所述膝关节液压缸上，并用于驱动所述膝关节液压缸；
背板，其与所述第二杆件的顶端转动连接；
髋关节液压缸，其用于驱使所述背板与所述第二杆件产生相对转动；
髋关节液压缸上腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的上腔；
髋关节液压缸下腔压力传感器，其安装在所述髋关节液压缸的下腔；
髋关节编码器，其安装在所述髋关节液压缸上，并用于驱动所述髋关节液压缸；
力传感器，其安装在所述背板上；
背部绑带，其两端连接在所述背板上端；
腰部绑带，其两端连接在所述背板下端；以及
实时控制器，其与所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸、所述膝关节编码器、所述髋关节编码器以及所述力传感器电性连接；所述膝关节液压缸、所述髋关节液压缸均通过一个液压驱动器进行驱动；
其中，所述自适应鲁棒控制方法包括以下步骤：
(1)初始化所述实时控制器的采样周期；
(2)将所述脚部旋转至水平，将所述第一杆件、所述第二杆件以及所述背板旋转至竖直位置，并初始化所述膝关节编码器和所述髋关节编码器且将驱动器数值调零；
(3)初始化所述力传感器，将所述力传感器的数值调零；
(4)建立所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将所述物理模型转化为状态方程；其中，所述物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、所述液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型；
(5)通过所述背部绑带将所述力传感器与穿戴者相连，并测定所述力传感器上的作用力，通过上层控制器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移；
(6)通过所述膝关节编码器和所述髋关节编码器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到所述背板接触处的实际位移；根据步骤(5)得到的参考位移，将所述实际位移和所述参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，所述中层位置跟踪控制器的输出为所述欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩；
(7)通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；将步骤(6)得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将所述期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，所述下层控制器的输出为所述液压驱动器的流量，并将所述流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压；
(8)通过膝关节电液伺服阀的放大板和髋关节电液伺服阀的放大板将步骤(7)中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流；以及
(9)通过各个控制电流控制对应的所述膝关节电液伺服阀和所述髋关节电液伺服阀的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动；
其中，所述人机接口模型为：
Figure FDA0003542870420000021
其中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为人机作用力，x,y,z分别为表示三维坐标轴符号，τez为力矩，Fhmx、Fhmy分别为人机作用力在x、y方向上的分量；K＝diag{Kx,Ky,Kz}为人机接口的刚度，Kx、Ky、Kz分别为人机接口的刚度在x、y、z方向上的分量，xh＝[xhx xhy xhz]T和xe＝[xex xeyxez]T分别为所述背板接触处穿戴者的位移和所述外骨骼的位移，xhx、xhy、xhz分别为所述背板接触处穿戴者的位移在x、y、z方向上的分量，xex、xey、xez分别为所述外骨骼的位移在x、y、z方向上的分量；
Figure FDA0003542870420000022
为在人机接口上的集中模型不确定性和干扰；
在转化所述物理模型时，通过人机作用力的积分
Figure FDA0003542870420000031
代替Fhm，得到所述状态方程为：
Figure FDA0003542870420000032
所述运动模型为：
Figure FDA0003542870420000033
式中，Fhm＝[Fhmx Fhmy τez]T为接触点的人机作用力，τact＝[τ2 τ3]为所述关节期望驱动力矩，τ2、τ3分别为膝关节和髋关节的期望驱动力矩，J为系统在所述力传感器处的雅可比矩阵，q(t)＝[q1(t),q2(t),q3(t)]T分别为踝关节、膝关节和髋关节的转动角度，Msp3(q)是系统的惯性矩阵，
Figure FDA0003542870420000034
是系统的离心力和科氏力矩阵，Gsp3(q)为系统的重力矩阵，B是系统的阻尼矩阵，
Figure FDA0003542870420000035
是系统的集中建模误差；
所述运动模型进一步转化为：
Figure FDA0003542870420000036
式中，
Figure FDA0003542870420000037
所述完整约束模型为：
xez＝xezd(t)
其中，xezd(t)为背板接触处z方向上期望的外骨骼位移；
对所述完整约束模型求二阶导数：
Figure FDA0003542870420000038
求出
Figure FDA0003542870420000039
和τez，最终可得到：
Figure FDA00035428704200000310
Figure FDA00035428704200000311
式中，xea＝[xex xey]T,Mea＝u1Mxu4,Bea＝u1J-Tu3,Cea＝u1Cxu4,Gea＝u1Gx,Bxea＝u1Bxu4,Mea2＝u2Mxu4,Cea2＝u2Cxu4,Gea2＝u2Gx,Bxea2＝u2Bxu4,Bea2＝-u2J-Tu3,
Figure FDA0003542870420000041
u2＝[0 0 1],
Figure FDA0003542870420000042
2.如权利要求1所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述液压驱动器的动力学模型为：
Figure FDA0003542870420000043
Figure FDA0003542870420000044
Figure FDA0003542870420000045
Figure FDA0003542870420000046
Figure FDA0003542870420000047
Figure FDA0003542870420000048
xvi＝ui,i＝2,3
式中，xLi是液压缸i的位移，
Figure FDA0003542870420000049
是xLi关于qi的一阶偏导数，P1i,P2i,A1i和A2i分别表示液压缸i内两个腔室的绝对压力和作用面积，V1i＝Vh1i+A1ixLi和V2i＝Vh2i+A2ixLi分别是液压缸i内两个腔室的总容积，Vh1i,Vh2i是qi＝0时液压缸i的两室容积，βe表示体积弹性模量，Q1i,Q2i分别是液压缸i的供给和回流，kq1i和kq2i分别是液压缸i两回路的流量增益系数，xvi是阀芯i的位移值，Ps是供油压力，Pr是油箱里的压力，qi是液压缸i内的压力，ui是液压缸i的控制电压，
Figure FDA00035428704200000410
和
Figure FDA00035428704200000411
代表表示液压驱动器动力学模型中的集中建模误差和不确定干扰。
3.如权利要求2所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，将所述物理模型转化为所述状态方程的方法包括以下步骤：
(4.1)令状态变量
Figure FDA0003542870420000051
其中F'hm＝[Fhmx Fhmy]T,
Figure FDA0003542870420000052
x4a＝P1＝[P12 P13]T,x5a＝P2＝[P22 P23]T，设集中模型不确定性为：
Figure FDA0003542870420000053
Figure FDA0003542870420000054
(4.2)将所述集中模型不确定性分为常数和时变函数两部分，得到
Figure FDA0003542870420000055
Δin和Δi分别代表
Figure FDA0003542870420000056
的常值部分和时变部分；
(4.3)设
Figure FDA0003542870420000057
其中，
Kθa＝[1/Kx 1/Ky]T,Δ1an＝[Δ1anx Δ1any]T,Δ1anx、Δ1any分别代表集中模型不确定性Δ1an在x,y方向上的分量，β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2 J3 J4]T为外骨骼单腿的系统参数，Y2、Y3、Y4、X4、J2、J3、J4均为机械结构的模型参数；Bθ＝[B1 B2 B3]T,B1、B2、B3分别代表踝关节、膝关节、髋关节处的阻尼系数，Δ3an＝[Δ3anx Δ3any]T，Δ3anx、Δ3any分别代表其中集中干扰Δ3an在x,y方向上的分量，Δ4an＝[Δ4an1 Δ4an2]T，Δ4an1、Δ4an2分别代表集中干扰Δ4an在膝关节液压缸和髋关节液压缸上的分量。
4.如权利要求3所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型的状态方程为：
Figure FDA0003542870420000058
Figure FDA0003542870420000059
Figure FDA00035428704200000510
τact＝hFL
Figure FDA00035428704200000511
QL＝Kqu
其中：Kxy＝diag{Kx,Ky}
Figure FDA0003542870420000061
A1＝diag{A12,A13}
A2＝diag{A22,A23}
FL＝A1x4a-A2x5a
Figure FDA0003542870420000062
Figure FDA0003542870420000063
Figure FDA0003542870420000064
Kq＝diag{Kq1,Kq2}
V1,V2分别代表液压缸左腔和右腔的体积，
u为电液伺服阀的控制电压，
kq12,kq22分别是膝关节液压阀进出口的流量增益系数，
kq13,kq23分别是髋关节液压阀进出口的流量增益系数。
5.如权利要求4所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述上层控制器的控制方法包括以下步骤：
根据步骤(4)中的物理模型的状态方程，设第一跟踪误差z1a为：z1a＝x1a-x1ad，其中x1ad为x,y方向上期望的人机作用力的积分，取值为0；设xm为第一虚拟控制输入，第一虚拟控制输入xm用于使人机作用力的第一跟踪误差z1a快速趋向于零；
设xm＝xma+xms+xmsn，其中
Figure FDA0003542870420000065
xms＝K1z1a，fθF和YθF是由xma的参数线性化得到且fθF＝[00]T，
Figure FDA0003542870420000066
Figure FDA0003542870420000067
分别为x,y方向上的期望的人机作用力，K1＝diag{K1x,K1y}是线性反馈增益矩阵，
Figure FDA0003542870420000068
是θF的估计值，且估计值的范围为：
Figure FDA0003542870420000069
其中
Figure FDA00035428704200000610
为对参数θF的估计值
Figure FDA00035428704200000611
的最小值，
Figure FDA00035428704200000612
为对参数θF的估计值
Figure FDA00035428704200000613
的最大值；估计值
Figure FDA00035428704200000614
在所述上层控制器中由自适应率
Figure FDA0003542870420000071
得到，其中
Figure FDA0003542870420000072
Figure FDA0003542870420000073
表示
Figure FDA0003542870420000074
的转置，
Figure FDA0003542870420000075
为参数Kθa的估计值；
Figure FDA0003542870420000076
表示
Figure FDA0003542870420000077
的转置，
Figure FDA0003542870420000078
为参数Δ1an的估计值；
Γ1是正定增益矩阵，
Figure FDA0003542870420000079
的映射函数为：
Figure FDA00035428704200000710
式中，θFmaxi，θFmini分别为θF第i个元素的最大值和最小值，·i为自变量；xmsn满足：
Figure FDA00035428704200000711
Figure FDA00035428704200000712
式中，
Figure FDA00035428704200000713
是估计值
Figure FDA00035428704200000714
减去实际值θF，
Figure FDA00035428704200000715
ε1是阈值且为任意非负数；xmsn为鲁棒反馈项；
Figure FDA00035428704200000716
表示参数Kf的估计值，
Figure FDA00035428704200000717
表示Δ1an的估计值；
根据第一虚拟控制输入xmi,i＝1,2，并通过一个三阶滤波器进行平滑处理，得到外骨骼的参考位移、参考速度和参考加速度；其中，三阶滤波器的状态方程为：
Figure FDA00035428704200000718
Figure FDA00035428704200000719
Figure FDA00035428704200000720
i＝1,2
令yi代表外骨骼参考位移，设yi(s)＝xmi(s)，xi(1),xi(2),xi(3)分别代表滤波后的参考位移、参考速度和参考加速度，则yi到xi(1)传递函数为：
Figure FDA00035428704200000721
通过所述传递函数，获得xmi转化为所需要的平滑的外骨骼参考位移xi(1)；其中，a1,a2,a3通过极点配置获得。
6.如权利要求5所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述中层位置跟踪控制器的设计方法包括以下步骤：
设第二跟踪误差
Figure FDA00035428704200000722
定义一个转换方程：
Figure FDA0003542870420000081
其中，K2取任意的非负数，z3是第三跟踪误差；z2和z3的传递函数为
Figure FDA0003542870420000082
K2i表示K2的第i个元素；
令Bxeax3a＝YBBθ，
Figure FDA0003542870420000083
其中β＝[Y2 Y3 Y4 X4 J2 J3 J4]T,Y2,Y3,Y4,X4,J2,J3,J4均为机械结构的模型参数，Bθ＝[B1 B2 B3]T为系统的阻尼；控制τact的确定方法为：τact＝τacta+τacts+τactsn，其中，YB由Bxeax3a参数线性化得到的参数，f0,Y均由
Figure FDA0003542870420000084
参数线性化得到参数，
Figure FDA0003542870420000085
K3是线性反馈增益，
Figure FDA0003542870420000086
Figure FDA0003542870420000087
分别是β，Bθ，Δ3an的估计值，
Figure FDA0003542870420000088
Figure FDA0003542870420000089
其中
Figure FDA00035428704200000810
为对参数θq的估计值
Figure FDA00035428704200000811
的最小值，
Figure FDA00035428704200000812
为对参数θq的估计值
Figure FDA00035428704200000813
的最大值；估计值
Figure FDA00035428704200000814
的值在所述中层位置跟踪控制器中由自适应率
Figure FDA00035428704200000815
得到，其中
Figure FDA00035428704200000816
Γ2是正定增益矩阵，
Figure FDA00035428704200000817
的映射函数为：
Figure FDA00035428704200000818
式中，θqmaxi，θqmini分别为θq第i个元素的最大值和最小值，·i为自变量；
令φ3＝[-Y -YB I2*2]T，τactsn满足：
Figure FDA00035428704200000819
Figure FDA00035428704200000820
式中，τactsn为鲁棒反馈项，I2×2表示二阶单位矩阵，
Figure FDA00035428704200000821
是估计值
Figure FDA00035428704200000822
减去实际值θq，
Figure FDA00035428704200000823
ε3是阈值且为任意非负数。
7.如权利要求6所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，所述下层控制器的设计方法包括以下步骤：
定义此阶段的跟踪误差：z4＝FL-FLd，其中FL为液压缸的实际输出力，FLd为中层控制器计算出来的液压缸期望输出力，结合此阶段的动力学建模，此阶段的误差方程写作：
Figure FDA0003542870420000091
Figure FDA0003542870420000092
为FLd的一阶导数，控制QL的方法设定为：QLd＝QLda+QLds，QLdsn为鲁棒反馈项，其中
Figure FDA0003542870420000093
Figure FDA0003542870420000094
Figure FDA0003542870420000095
是对βe，Δ4an的估计值，θu＝[βe T Δ4an T]T；
Figure FDA0003542870420000096
其中
Figure FDA0003542870420000097
为对参数θu的估计值
Figure FDA0003542870420000098
的最小值，
Figure FDA0003542870420000099
为对参数θu的估计值
Figure FDA00035428704200000910
的最大值；估计值
Figure FDA00035428704200000911
的值在所述下层控制器中由自适应率
Figure FDA00035428704200000912
得到，其中
Figure FDA00035428704200000913
Γ3是正定增益矩阵，
Figure FDA00035428704200000914
的映射函数为：
Figure FDA00035428704200000915
式中，θumaxi，θumini分别为θu第i个元素的最大值和最小值，·i为自变量；
令
Figure FDA00035428704200000916
QLdsn满足：
Figure FDA00035428704200000917
z4βeQLdsn≤0
式中，
Figure FDA00035428704200000918
是估计值
Figure FDA00035428704200000919
减去实际值θu，
Figure FDA00035428704200000920
ε4是阈值且为任意非负数；
根据虚拟控制输入QL，得到电液伺服阀的控制电压u为：
Figure FDA00035428704200000921
8.一种欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制装置，其应用如权利要求1-7中任意一项所述的欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法，其特征在于，其包括：
初始化模块一，其用于初始化所述实时控制器的采样周期；
初始化模块二，其用于将所述脚部旋转至水平，将所述第一杆件、所述第二杆件以及所述背板旋转至竖直位置，并初始化所述膝关节编码器和所述髋关节编码器且将驱动器数值调零；
初始化模块三，其用于初始化所述力传感器，将所述力传感器的数值调零；
模型建立模块，其用于建立所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的物理模型，并将所述物理模型转化为状态方程；其中，所述物理模型包括人机接口模型、外骨骼机械本体的运动模型、所述液压驱动器的动力学模型、穿戴者提供的完整约束模型；
参考位移获取模块，其用于通过所述背部绑带将所述力传感器与穿戴者相连，并测定所述力传感器上的作用力，通过上层控制器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的参考位移；
实际位移获取模块，其用于通过所述膝关节编码器和所述髋关节编码器获得所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的实际角度值，根据外骨骼系统的正运动学模型得到所述背板接触处的实际位移；所述实际位移获取模块根据所述参考位移获取模块得到的参考位移，将所述实际位移和所述参考位移作为中层位置跟踪控制器的输入量，所述中层位置跟踪控制器的输出为所述欠驱动液压单腿助力外骨骼中膝关节和髋关节处的期望驱动力矩；
伺服阀控制电压获取模块，其用于通过所述膝关节液压缸上腔压力传感器、膝关节液压缸下腔压力传感器获得所述膝关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述膝关节液压缸的实际输出力；通过所述髋关节液压缸上腔压力传感器、髋关节液压缸下腔压力传感器获得所述髋关节液压缸两腔的实际压力，进而得到所述髋关节液压缸的实际输出力；所述伺服阀控制电压获取模块将所述实际位移获取模块得到的期望驱动力矩与液压缸输出力臂相除得到液压缸的期望输出力，再将所述期望输出力和液压缸实际输出力作为下层控制器的输入量，所述下层控制器的输出为所述液压驱动器的流量，并将所述流量转化为各个液压缸的电液伺服阀的控制电压；
转化模块，其用于通过膝关节电液伺服阀的放大板和髋关节电液伺服阀的放大板将所述伺服阀控制电压获取模块中得到的电液伺服阀的控制电压转化为相应伺服阀的控制电流；以及
跟随模块，其用于通过各个控制电流控制对应的所述膝关节电液伺服阀和所述髋关节电液伺服阀的阀芯开口位移，以控制液压缸两端的压力，推动各个液压缸运动，进而带动所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的各个关节旋转，实现所述欠驱动液压单腿助力外骨骼的跟随运动。
CN202110017441.2A 2021-01-07 2021-01-07 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置 Active CN112775937B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110017441.2A CN112775937B (zh) 2021-01-07 2021-01-07 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110017441.2A CN112775937B (zh) 2021-01-07 2021-01-07 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112775937A CN112775937A (zh) 2021-05-11
CN112775937B true CN112775937B (zh) 2022-04-29

Family

ID=75756660

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110017441.2A Active CN112775937B (zh) 2021-01-07 2021-01-07 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112775937B (zh)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114750137A (zh) * 2022-05-19 2022-07-15 合肥工业大学 一种基于rbf网络的上肢外骨骼机器人运动控制方法
CN114888806B (zh) * 2022-05-25 2023-08-11 合肥工业大学 欠驱动单腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法及装置
CN114770522B (zh) * 2022-05-25 2023-08-11 合肥工业大学 欠驱动双腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法及装置
CN115026845B (zh) * 2022-08-12 2022-11-08 珞石（北京）科技有限公司 一种机器人单关节混合控制方法
CN115755592B (zh) * 2023-01-10 2023-05-12 常熟理工学院 调整三自由度外骨骼运动状态的多模态控制方法及外骨骼

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106176149A (zh) * 2016-09-08 2016-12-07 电子科技大学 一种基于多传感融合的外骨骼步态分析系统及方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9296102B2 (en) * 2012-01-11 2016-03-29 Technion Research And Development Foundation Ltd. Robot, device and a method for central pattern generator(CPG) based control of a movement of the robot
CN104950682B (zh) * 2015-06-25 2017-06-23 浙江工业大学 有约束限制的欠驱动系统控制方法
CN105137972B (zh) * 2015-08-14 2017-10-20 浙江大学 一种单关节助力外骨骼自适应鲁棒级联力控制的方法
DE102016005747B3 (de) * 2016-05-15 2017-05-24 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Verfahren und Vorrichtung zum Steuern und Regeln von Aktoren, die zum Antrieb eines seriellen, mehrgliedrigen mechanischen Systems dienen
CN106109167A (zh) * 2016-06-22 2016-11-16 上海电气集团股份有限公司 一种便携式可穿戴上肢外骨骼康复训练器
WO2018219952A1 (en) * 2017-05-29 2018-12-06 Franka Emika Gmbh Collision handling by a robot
CN109009891A (zh) * 2018-08-14 2018-12-18 浙江大学 可穿戴式电驱助力外骨骼下肢机构
CN110711114A (zh) * 2019-10-17 2020-01-21 河北工业大学 一种基于动力学模型的外骨骼自抗扰控制方法
CN111281743B (zh) * 2020-02-29 2021-04-02 西北工业大学 一种上肢康复外骨骼机器人自适应柔顺控制方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106176149A (zh) * 2016-09-08 2016-12-07 电子科技大学 一种基于多传感融合的外骨骼步态分析系统及方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN112775937A (zh) 2021-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112775937B (zh) 欠驱动液压单腿助力外骨骼的自适应鲁棒控制方法及装置
CN112051741B (zh) 一种双足机器人动态运动生成与控制方法
Verrelst et al. The pneumatic biped “Lucy” actuated with pleated pneumatic artificial muscles
Löffler et al. Sensors and control concept of walking “Johnnie”
Vanderborght et al. Controlling a bipedal walking robot actuated by pleated pneumatic artificial muscles
CN113001540B (zh) 负载机动型外骨骼的人机交互智能控制方法及外骨骼系统
CN108897220B (zh) 一种自适应稳定平衡控制方法和系统以及双足仿人机器人
Li et al. Dynamic torso compliance control for standing and walking balance of position-controlled humanoid robots
Uemura et al. Motion control with stiffness adaptation for torque minimization in multijoint robots
Huynh et al. Balance control for an underactuated leg exoskeleton based on capture point concept and human balance strategies
Verrelst et al. Control architecture for the pneumatically actuated dynamic walking biped “Lucy”
CN105116728A (zh) 一种单关节助力外骨骼反演自适应鲁棒力控制的方法
JP5616289B2 (ja) 床面推定装置
Zhao et al. Fractional-order virtual model control for trotting motion of quadruped robot
CN112388616B (zh) 欠驱动支撑腿助力外骨骼的自适应鲁棒力控制方法及装置
CN114770522B (zh) 欠驱动双腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法及装置
Jung et al. Operational space control framework for torque controlled humanoid robots with joint elasticity
CN114888806B (zh) 欠驱动单腿支撑液压助力外骨骼的鲁棒控制方法及装置
CN112631277B (zh) 一种四足机器人站姿转换的平衡控制方法及系统
CN107485540A (zh) 一种用于智能协步手杖的能量注入系统
Verrelst et al. Motion generation and control for the pneumatic biped" lucy"
Jung et al. The operational space formulation on humanoids considering joint stiffness and bandwidth limit
Lew et al. Bracing micro/macro manipulators control
Yu et al. Hierarchical jumping optimization for hydraulic biped wheel-legged robots
Loffler et al. Model based control of a biped robot

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant