[發(fā)明專利]一種髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人軌跡與速度跟蹤的自適應(yīng)控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610424740.7
• 申請日: 2016-06-16
• 公開（公告）號: CN106074086B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫多青;馬曉英;董麗沙;呂金鳳;毛學(xué)志;俞百印;武利猛
• 申請（專利權(quán)）人: 河北科技師范學(xué)院
• 主分類號: A61H1/02
• 分類號: A61H1/02;A63B23/04;G05B13/04
• 代理公司: 秦皇島市維信專利事務(wù)所(普通合伙)13102
• 代理人: 許久利

1.一種髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人軌跡與速度跟蹤的自適應(yīng)控制方法，應(yīng)用于髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人，所述髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人包括1個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器、4個線性驅(qū)動器，所述旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器用來驅(qū)動機(jī)器人的主動轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)以訓(xùn)練患者髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收、外展運(yùn)動，所述線性驅(qū)動器用來驅(qū)動機(jī)器人的主動移動關(guān)節(jié)以訓(xùn)練患者髖關(guān)節(jié)的屈、伸運(yùn)動，其特征在于該髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人軌跡與速度跟蹤的自適應(yīng)控制方法通過以下步驟實現(xiàn)：

步驟1，根據(jù)人體髖關(guān)節(jié)生理機(jī)能，設(shè)計康復(fù)訓(xùn)練的期望跟蹤軌跡如下：

步驟1.1，為訓(xùn)練右髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收與外展活動能力，將髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器即驅(qū)動器1的期望跟蹤軌跡設(shè)計為

θr(t)=π6T1t,t≤T1π6-π61T2-T1(t-T1),T1≤t≤T2-π41T3-T2(t-T2),T2≤t≤T3-π4+π41T4-T3(t-T3),T3≤t≤T4---(1)]]>

(1)式中，t為訓(xùn)練時間，T₁,T₂,T₃為內(nèi)收、外展的轉(zhuǎn)折時刻，T₄代表完成內(nèi)收、外展活動一個訓(xùn)練周期的時刻；諸T_i的大小根據(jù)患者的病情而定：病情越重，諸T_i越大；

將(1)式中的與互換,即得訓(xùn)練左髖關(guān)節(jié)的內(nèi)收與外展活動能力的期望跟蹤軌跡；

步驟1.2，為訓(xùn)練髖關(guān)節(jié)的屈、伸運(yùn)動能力，將髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人的第i個線性驅(qū)動器即驅(qū)動器i(i＝2,3,4,5)的期望跟蹤軌跡設(shè)計為

dir(t)=0,t≤t1hit2-t1(t-t1),t1<t≤t2hi-hit3-t2(t-t2),t2<t≤t30,t3<t≤t4---(2)]]>

(2)式中的i＝2,4,5；

d3r(t)=0,t≤t1-h3t2-t1(t-t1),t1<t≤t2-h3+h3t3-t2(t-t2),t2<t≤t30,t3<t≤t4---(3)]]>

(2)式與(3)式中，t₁,t₂,t₃為屈、伸的轉(zhuǎn)折時刻，t₄代表完成屈、伸活動一個訓(xùn)練周期的時刻，諸t_i的大小根據(jù)患者的病情而定：病情越重，諸t_i越大；諸h_i＞0為設(shè)計參數(shù)，視小腿所能抬起的最大高度和驅(qū)動器i的最大位移而定；

步驟2，根據(jù)康復(fù)訓(xùn)練的期望跟蹤軌跡，限定在動態(tài)過程中各驅(qū)動器位移的變化范圍；

步驟3，根據(jù)髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人動力學(xué)方程中未知參數(shù)的變化范圍，給出其動力學(xué)方程中的未知函數(shù)f(x)的界函數(shù)f^U(x)以及未知控制增益g(d₃)的上界函數(shù)g^U(d₃)和下界函數(shù)g^L(d₃)；即f^U(x)，g^U(d₃)和g^L(d₃)滿足：

|f(x)|≤f^U(x)，0＜g^L(d₃)≤g(d₃)≤g^U(d₃)，(4)

其中髖關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人動力學(xué)方程為

θ··=f(x)+g(d3)τ1,d··i=-g+biFi,i=2,4,5,d··3=b3F3,---(5)]]>

(5)式中：T為轉(zhuǎn)置符號；θ為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動器的角位移，即驅(qū)動器1的輸出；d₂,d₄,d₅分別為線性驅(qū)動器2,線性驅(qū)動器4,線性驅(qū)動器5在鉛直方向上的位移,即分別為驅(qū)動器2,驅(qū)動器4,驅(qū)動器5的輸出；d₃為線性驅(qū)動器3在水平方向上的位移，即驅(qū)動器3的輸出；τ₁為驅(qū)動器1的驅(qū)動力矩，是系統(tǒng)的輸入,F₂,F₃,F₄,F₅分別為驅(qū)動器2,驅(qū)動器3,驅(qū)動器4,驅(qū)動器5的驅(qū)動力，是系統(tǒng)的輸入；g為重力加速度；

f(x)=-2m3ad·3-2m3d·32J+wma2+2m3ad3+m3d32θ·,---(6)]]>

g(d3)=1J+wma2+2m3ad3+m3d32,---(7)]]>

b2=1wm,bi=1mi,i=3,4,5;---(8)]]>

其中,J為整個機(jī)器人的轉(zhuǎn)動慣量；m₂,m₃,m₄,m₅分別為驅(qū)動器2,驅(qū)動器3,驅(qū)動器4,驅(qū)動器5的質(zhì)量,w_m＝m₂+m₃；a為驅(qū)動器1的中心到機(jī)器人鉛直中軸線的距離，滿足2a＞|d₃|；并且，轉(zhuǎn)動慣量J,質(zhì)量m₂,m₃,m₄,m₅,距離a均為未知的正參數(shù),但這些參數(shù)的界是已知的,且有:

J^-＜J＜J⁺,i＝2,3,4,5；a^_＜a＜a⁺；

且J^-,J⁺,a^-,a⁺均為已知的正常數(shù)；

步驟4，計算軌跡跟蹤誤差：e₁＝θ_r(t)-θ,i＝2,3,4,5；

步驟5，計算速度跟蹤誤差：i＝2,3,4,5；

步驟6，給定一組正數(shù)α_i和β_i，并選取一組具有負(fù)實部的復(fù)數(shù)λ_i1，且滿足λ_i1+α_i＜0，取λ_i2為λ_i1的共軛復(fù)數(shù)，再取k_i1＝-λ_i1-λ_i2，k_i2＝λ_i1·λ_i2，i＝1,2,3,4,5；

步驟7，選取列向量選取矩陣并給定2階正定對稱矩陣i＝1,2,3,4,5；解李雅普諾夫方程

(A_i+α_iI)^TP_i+P_i(A_i+α_iI)＝-Q_i,(9)

得到正定解：P_i的元素由(10)式確定：

pi11pi12pi22=A-1-qi11-qi12-qi22,A=2αi-2ki201-ki1+2αi-ki202-2ki1+2αi;---(10)]]>

(9)式中，I為2階單位矩陣；

步驟8，利用分層模糊邏輯系統(tǒng)設(shè)計控制律τ₁:

步驟8.1，用兩層模糊系統(tǒng)來逼近f(x),的表達(dá)式為

f^(x|θf2)=θf2Tξf2(d·3,z1),---(11)]]>

(11)式中,為第1層模糊系統(tǒng)的輸入,z₁為第1層模糊系統(tǒng)的輸出,第2層模糊系統(tǒng)的輸入為和z₁；且

ξf1(θ·,d3)=[ξf11(θ·,d3),...,ξf1L1(θ·,d3)]T,ξf2(d·3,z1)=[ξf21(d·3,z1),...,ξf2L2(d·3,z1)]T,]]>

其中，L₁為第1層模糊系統(tǒng)中所含的模糊規(guī)則數(shù)目，L₂為第2層模糊系統(tǒng)中所含的模糊規(guī)則數(shù)目,和均為模糊基函數(shù),L₁維參數(shù)列向量θ_f1和L₂維參數(shù)列向量θ_f2均通過自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)；

用模糊邏輯系統(tǒng)來逼近g(d₃)，的表達(dá)式為

g^(d3|θg)=θgTξg(d3),---(12)]]>

(12)式中,ξ_g(d₃)＝(ξ_g1(d₃),…,ξ_gM(d₃))^T,M為模糊規(guī)則數(shù)目,ξ_g1(d₃),…,ξ_gM(d₃)為模糊基函數(shù)，M維參數(shù)列向量θ_g通過自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)；

步驟8.2，設(shè)計控制律τ₁：

τ₁＝u_c1+u_r1+u_s1,(13)

(13)式中，u_c1為模糊控制項；u_s1為監(jiān)督控制項，u_r1為誤差補(bǔ)償控制項，分別設(shè)計為

uc1=-f^(x|θf2)-f^1(x|θf1)+θ··r+k‾1Te‾1g^(d3|θg),---(14)]]>

其中，

ur1=β1α1gL(d3)e‾1TP1B,---(15)]]>

us1=I1*sgn(e‾1TP1B)1gL(d3)[|f^(x|θf2)|+fU(x)+|f^(x|θf1)|+|g^(d3|θg)uc1|+|gU(d3)uc1|],---(16)]]>

(16)式中:當(dāng)時,當(dāng)時,為設(shè)計者取定的一個正常量；符號的含義是：當(dāng)時,當(dāng)時,

步驟9，利用模糊系統(tǒng)設(shè)計控制律F_i(i＝2,3,4,5):

將控制律F_i設(shè)計為

F_i＝u_ci+u_ri+u_si,i＝2,3,4,5；(17)

(17)式中，為模糊控制項，M_i為模糊規(guī)則數(shù)目,為模糊基函數(shù)；M_i維參數(shù)列向量θ_i通過自適應(yīng)律來調(diào)節(jié)；u_si為監(jiān)督控制項，u_ri誤差補(bǔ)償控制項，u_ri,u_si分別設(shè)計為

uri=βiαie‾iTPiB,i=2,3,4,5,---(18)]]>

(18)式中，

us3=I3*sgn(e‾3TP3B)[|uc3|+m3+|d··3r+k‾3Te3‾|],---(19)]]>

usi=Ii*sgn(e‾iTPiB)[|uci|+mi+(g+|d··ir+k‾iTe‾i|)],i=2,4,5;---(20)]]>

(19)、(20)兩式中:當(dāng)時，當(dāng)時為設(shè)計者給定的正常量；符號的含義是：當(dāng)時，當(dāng)時,i＝2,3,4,5。