[發明專利]一種不同訓練者質量隨機變化的康復步行機器人的跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201911208286.1
• 申請日: 2019-11-30
• 公開（公告）號: CN110989589B
• 公開（公告）日: 2023-06-06
• 發明（設計）人: 孫平;孫桐;薛皖東;李樹江;單芮
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: G05D1/02
• 分類號: G05D1/02
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 周智博;宋鐵軍

本發明利用康復步行訓練機器人的動力學模型，將系數矩陣中訓練者的質量轉化為隨機變量，建立了康復步行機器人的隨機微分方程；提出了不同訓練者質量隨機變化的控制器設計方法，基于隨機Lyapunov穩定理論，構建了軌跡跟蹤誤差系統的指數穩定條件，并獲得了可適應訓練者質量隨機變化的跟蹤控制器，提高了康復步行機器人系統的跟蹤精度并保障了訓練者的安全。本發明控制器設計簡單，易于實現，控制器中沒有訓練者的質量信息，從而使康復步行機器人能應用于不同訓練者，避免了訓練者質量變化對跟蹤性能的影響，提高了軌跡跟蹤精度并保障了訓練者的安全。

技術領域

本發明涉及輪式康復機器人的控制領域，尤其是關于輪式下肢康復機器人的控制方法。

背景技術

交通事故及人口老齡化使步行障礙患者逐年增多，由于我國缺少專業康復人員，導致步行障礙患者無法得到及時有效的運動訓練，從而步行功能逐漸喪失，無法實現日常獨立生活。隨著康復步行機器人在康復中心、養老院等場所的應用，有效解決了康復人員短缺的問題。然而，在實際應用中，不同質量的訓練者嚴重干擾了步行機器人對康復醫生指定運動軌跡的跟蹤精度，無法達到理想的康復效果。因此，研究步行機器人的控制方法，使其能適應不同質量患者的康復訓練具有重要意義。

近年來，康復步行機器人軌跡跟蹤控制已有許多研究成果，然而這些結果都無法解決不同訓練者質量隨機變化問題。如果步行機器人不能適應不同質量的訓練者，不僅影響跟蹤精度，而且過大的軌跡跟蹤誤差會使機器人碰撞周圍的物體，從而威脅訓練者的安全。到目前為止，還沒有關于不同訓練者質量隨機變化的跟蹤控制方法，本發明基于新視角研究了提高康復步行機器人跟蹤精度的方法，對保障訓練者的安全性具有重要意義。

發明內容

發明目的：

為了解決上述問題，本發明提供了一種適應不同質量訓練者的康復步行機器人的跟蹤控制方法，目的是提高機器人的跟蹤精度，從而保障訓練者的安全。

技術方案：

一種不同訓練者質量隨機變化的康復步行機器人的跟蹤控制方法，其特征在于：該方法步驟如下：

1)、根據康復步行機器人的動力學模型，將訓練者質量m轉化為隨機變量，建立刻畫不同訓練者質量變化的隨機微分方程；

2)、基于1)步驟的隨機微分方程和隨機Lyapunov(李雅普諾夫)穩定理論，構建軌跡跟蹤誤差系統的指數穩定條件，并獲得可適應訓練者質量隨機變化的跟蹤控制器；

3)、基于2)步驟中的跟蹤控制器，利用MSP430系列單片機將輸出PWM信號提供給康復步行機器人的電機驅動模塊，使康復步行機器人幫助不同質量的訓練者跟蹤醫生指定的訓練軌跡。

1)步驟中康復步行機器人的動力學模型描述如下：

其中

X(t)為康復訓練機器人的實際行走軌跡，u(t)表示控制輸入力，f_i表示每個輪子的輸入力，M表示機器人的質量，m表示康復者的質量，I₀表示轉動慣量，M₀,K(θ),B(θ)為系數矩陣；θ表示水平軸和機器人中心與第一個輪子中心連線間的夾角，即θ＝θ₁，由康復步行機器人結構知，θ₃＝θ+π，l_i表示系統重心到每個輪子中心的距離，λ_i表示重心到每個輪子的距離，r₀表示中心到重心的距離，φ_i表示x′軸和每個輪子對應的l_i之間的夾角，?i＝1,2,3,4；