[發明專利]機器人結構慢變化的有界軌跡跟蹤誤差安全驅動控制方法

有效

• 申請號: 202110757256.7
• 申請日: 2021-07-05
• 公開（公告）號: CN113359767B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 孫平;高雪峰;李樹江;王碩玉;常洪彬;唐非;謝靜
• 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: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司 21107
• 代理人: 許宇來

本發明公開了一種機器人結構慢變化的有界軌跡跟蹤誤差安全驅動控制方法。其特征為：利用康復訓練機器人的動力學模型，拆分影響結構變化的物理量，構建結構變化的神經網絡估計模型，建立康復訓練機器人具有結構估計的動力學模型；以軌跡跟蹤誤差的有界性為驅動條件，設計適應康復訓練機器人結構慢變化的安全驅動跟蹤控制器，實現系統的穩定性并將軌跡跟蹤誤差約束在指定范圍內，避免機器人發生碰撞危險。基于STM32G4系列單片機將輸出PWM信號提供給電機驅動模塊，使機器人適應結構慢變化并幫助康復者跟蹤醫生指定的訓練軌跡。

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：

隨著高齡人口增多，疾病及自然衰老導致老年人出現步行功能障礙，若不及時進行康復訓練恢復腿部肌肉力量及平衡能力，將嚴重影響老年人的日常生活。隨著康復步行機器人在康復中心、養老院等場所的應用，及時解決了老年人的步行康復問題。然而，在實際應用中，訓練者位姿的變化導致人和機器人的中心不重合，使人機系統產生偏心距、偏心角，進而使人機系統的結構發生變化。由于訓練者位姿變化緩慢，以及機器人幫助訓練者慢速步行運動，因此人機系統的結構是慢變化的，這一因素嚴重影響了機器人對醫生指定運動軌跡的跟蹤精度，不僅導致訓練者的康復效果不理想，而且過大的軌跡跟蹤誤差會使機器人發生碰撞危險，影響人機系統安全。因此，解決人機系統結構慢變化問題對提高康復機器人跟蹤精度和安全性具有重要意義。

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人機系統的結構慢變化問題。如果步行訓練中機器人不能適應系統的結構慢變化，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，還沒有關于人機系統結構慢變化估計模型的建立方法，并約束軌跡跟蹤誤差的安全驅動控制方法，本發明基于新視角建立了結構慢變化的估計模型，并提出了適應結構慢變化并約束軌跡跟蹤誤差的安全驅動控制方法，對提高人機系統跟蹤精度和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，本發明提供了一種康復訓練機器人結構慢變化的有界軌跡跟蹤誤差安全驅動控制方法，目的是解決人機系統結構慢變化問題，提高機器人的跟蹤精度，并保障訓練者的安全。

技術方案：

本發明是通過以下技術方案來實現的：

一種康復訓練機器人結構慢變化的有界軌跡跟蹤誤差安全驅動控制方法，其特征在于：

1)利用康復訓練機器人的動力學模型，拆分影響結構變化的物理量，構建結構變化的神經網絡估計模型，建立康復訓練機器人具有結構估計的動力學模型；

2)以軌跡跟蹤誤差的有界性為驅動條件，設計適應康復訓練機器人結構慢變化的安全驅動跟蹤控制器，實現系統的穩定性以及軌跡跟蹤誤差的有界性。

步驟如下：

步驟1)利用康復訓練機器人的動力學模型，拆分影響結構變化的物理量，構建結構變化的神經網絡估計模型，建立康復訓練機器人具有結構估計的動力學模型，其特征在于：系統的動力學模型描述如下

其中