[發(fā)明專(zhuān)利]一種不同訓(xùn)練者質(zhì)量隨機(jī)變化的康復(fù)步行機(jī)器人的跟蹤控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911208286.1
• 申請(qǐng)日: 2019-11-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110989589B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-06-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫平;孫桐;薛皖東;李樹(shù)江;單芮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 分類(lèi)號(hào): G05D1/02
• 代理公司: 沈陽(yáng)智龍專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 21115
• 代理人: 周智博;宋鐵軍

1.一種不同訓(xùn)練者質(zhì)量隨機(jī)變化的康復(fù)步行機(jī)器人的跟蹤控制方法，其特征在于：該方法步驟如下：

1)、根據(jù)康復(fù)步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，將訓(xùn)練者質(zhì)量m轉(zhuǎn)化為隨機(jī)變量，建立刻畫(huà)不同訓(xùn)練者質(zhì)量變化的隨機(jī)微分方程；

2)、基于1)步驟的隨機(jī)微分方程和隨機(jī)Lyapunov穩(wěn)定理論，構(gòu)建軌跡跟蹤誤差系統(tǒng)的指數(shù)穩(wěn)定條件，并獲得適應(yīng)訓(xùn)練者質(zhì)量隨機(jī)變化的跟蹤控制器；

3)、基于2)步驟中的跟蹤控制器，利用單片機(jī)將輸出PWM信號(hào)提供給康復(fù)步行機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，使康復(fù)步行機(jī)器人幫助不同質(zhì)量的訓(xùn)練者跟蹤醫(yī)生指定的訓(xùn)練軌跡；

步驟1)中康復(fù)步行機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型描述如下：

其中

X(t)為康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人的實(shí)際行走軌跡，u(t)表示控制輸入力，f_i表示每個(gè)輪子的輸入力，M表示機(jī)器人的質(zhì)量，m表示康復(fù)者的質(zhì)量，I₀表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為系數(shù)矩陣；θ表示水平軸和機(jī)器人中心與第一個(gè)輪子中心連線間的夾角，即θ＝θ₁，由康復(fù)步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)知，θ₃＝θ+π，l_i表示系統(tǒng)重心到每個(gè)輪子中心的距離，λ_i表示重心到每個(gè)輪子的距離，r₀表示中心到重心的距離，φ_i表示x′軸和每個(gè)輪子對(duì)應(yīng)的l_i之間的夾角，i＝1,2,3,4；

提取系數(shù)矩陣M₀K(θ)中訓(xùn)練者的質(zhì)量m，并將其轉(zhuǎn)化到隨機(jī)噪聲ξ(t)中，得到如下方程：

其中

根據(jù)方程(2)，將隨機(jī)噪聲ξ(t)表示為其中A表示7維獨(dú)立隨機(jī)過(guò)程，得

令(σ＝1,2,3,j＝1,2,…,7)并計(jì)算

進(jìn)一步，式(3)化為

設(shè)隨機(jī)噪聲ξ(t)的譜密度為即成立，其中Ω表示譜密度矩陣，表示具有譜密度分布的隨機(jī)過(guò)程，于是得康復(fù)步行機(jī)器人的隨機(jī)微分方程

步驟2)中跟蹤控制器獲得方法如下：康復(fù)步行機(jī)器人實(shí)際行走軌跡X(t)，醫(yī)生指定訓(xùn)練軌跡X_d(t)，設(shè)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤誤差e₁(t)和速度跟蹤誤差e₂(t)分別為

e₁(t)＝X(t)-X_d(t)????????(7)

其中α表示待設(shè)計(jì)的參數(shù)，根據(jù)康復(fù)步行機(jī)器人隨機(jī)微分方程得到跟蹤誤差系統(tǒng)如下：

設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù)為

基于隨機(jī)穩(wěn)定理論，得

根據(jù)Young’s不等式，對(duì)于給定的常數(shù)γ₁＞0,γ₂＞0，有

其中，表示矩陣的F范數(shù)，且上界為h；I表示適當(dāng)維數(shù)的單位矩陣；

進(jìn)一步，設(shè)計(jì)控制器u(t)如下：

其中待設(shè)計(jì)參數(shù)c₁＞0,c₂＞0表示控制器參數(shù)；

這樣，在控制器(14)作用下，并根據(jù)式(11)，使跟蹤誤差系統(tǒng)(9)實(shí)現(xiàn)隨機(jī)指數(shù)穩(wěn)定；對(duì)于不同質(zhì)量的訓(xùn)練者，康復(fù)步行機(jī)器人都能跟蹤醫(yī)生指定的訓(xùn)練軌跡。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種不同訓(xùn)練者質(zhì)量隨機(jī)變化的康復(fù)步行機(jī)器人的跟蹤控制方法，其特征在于：步驟3)中：以單片機(jī)為主控制器，主控制器的輸入接電機(jī)測(cè)速模塊、輸出接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與直流電機(jī)相連；電源系統(tǒng)給各個(gè)電氣設(shè)備供電；主控制器控制方法為讀取電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)與主控制器給定的控制命令信號(hào)X_d(t)和計(jì)算得出誤差信號(hào)；根據(jù)誤差信號(hào)，主控制器按照預(yù)定的步驟2)中控制器的控制算法計(jì)算出電機(jī)的控制量，送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪子維持自身平衡及按指定方式運(yùn)動(dòng)。