[發明專利]基于外骨骼機器人柔性作動器的位置跟蹤優化控制方法

有效

• 申請號: 202010099404.6
• 申請日: 2020-02-18
• 公開（公告）號: CN111290273B
• 公開（公告）日: 2022-08-12
• 發明（設計）人: 孫振興
• 申請（專利權）人: 湖州和力機器人智能科技有限公司
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 杭州西木子知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 33325
• 代理人: 韓燕燕

1.一種基于外骨骼機器人柔性作動器的位置跟蹤優化控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，動態數學模型的建立：使用牛頓運動定律，在忽略摩擦力影響的情況下，建立外骨骼機器人柔性作動器的動態數學模型；

步驟二，定義滾動優化性能指標：通過選擇合適的優化指標，實現對控制性能的優化；

步驟三，基于擾動補償的位置預測輸出；為了得到位置預測值，在考慮擾動補償的情況下，確立對應的位置預測輸出表達式；

步驟四，擾動觀測器的設計：通過測量得到的位置信息，針對匹配與非匹配干擾，分別設計對應的擾動觀測器；

步驟五，復合控制器的設計：利用觀測得到的擾動信息，結合廣義預測，分別從前饋和反饋控制出發，設計對應的復合控制方案；

所述步驟一中動態數學模型的建立以及步驟二中定義滾動優化性能指標的具體方法如下：

外骨骼機器人柔性作動器的動態數學模型為：

a_l＝k/J_l，a_m＝k/J_m，b_m＝1/J_m，J_m和J_l代表電機和連桿的質量，θ_m和θ_l代表電機和連桿的角度；u是電機轉矩，k是彈簧的剛度；d₁(t)和d₂(t)分別是電機和負載端的干擾；為a_l(t)，a_m(t)，b_m(t)的標稱值，然后上式可以改寫為：

且

柔性作動器的優化指標，代價方程為：

其中T0是預測周期，θ_r(t)是期望的參考位置信號；

所述步驟三中輸出位置預測基于泰勒級數展開后如下式：

通過選擇使用Taylor的前四項，在上式中的基礎上，如下構造預測值θ_l和θ_r：

其中和分別是θ_l和θ_r的預測位置；和分別是ω_l,ω_m,和的估計值；

所述步驟四中擾動觀測器的設計具體如下:

通過測量得到的位置信息，針對匹配與非匹配干擾，分別設計對應的擾動觀測器；

其中p_l0是擾動觀測器的帶寬，此時不成立；為了實現擾動觀測器，定義和然后得到擾動觀測器：

其中，電機端擾動的觀測方程為：

其中p_m0是干擾觀測器的帶寬，設和然后得到擾動觀測器:

基于外骨骼機器人柔性作動器的復合控制器的設計具體如下：

通過公式(5)中得到的位置預測值，公式(3)中的性能指標函數可以進一步寫成：

其中★代表獨立的控制量u，注意到，

令從公式(8)中可得優化后的控制器為：

所述復合控制器包括用于估計集總擾動的兩個降階擾動觀測器(RDOB)和廣義預測控制器，干擾觀測值被用于廣義預測控制器的設計當中。