[發明專利]基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統

有效

• 申請號: 202210417881.1
• 申請日: 2022-04-20
• 公開（公告）號: CN114700948B
• 公開（公告）日: 2023-07-18
• 發明（設計）人: 李智軍;郝旭;李國欣
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/00
• 代理公司: 上海段和段律師事務所 31334
• 代理人: 祁春倪

1.一種基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，包括參考軌跡規劃器、線性二次高斯控制器；

所述參考軌跡規劃器包括腳步規劃器、零動量點規劃器、質心規劃器、發散運動分量規劃器；

所述參考軌跡規劃器通過腳步規劃器獲得下肢外骨骼機器人的實際參數，再利用零動量點規劃器根據步伐生成零動量點軌跡，接下來基于線性倒立擺模型計算出質心軌跡，最后基于發散運動分量理論控制質心運動中的發散運動分量，獲得機器人前饋步行的參考軌跡；

所述線性二次高斯控制器基于所述發散運動分量，實現在不確定情況下穩健地跟蹤所述參考軌跡，并且實現在存在過程干擾和測量噪聲的情況下也具有魯棒性；

所述線性二次高斯控制器使用了發散運動分量的概念，通過將矢狀面和冠狀面的運動解耦簡化了腳步規劃的復雜度；

所述線性二次高斯控制器包括卡爾曼濾波器、積分器，所述卡爾曼濾波器用于在存在測量和過程噪聲的情況下估計系統的狀態，并且根據每個控制周期內狀態誤差的可觀測性；所述積分器用于消除穩態誤差，根據積分器的估計狀態和輸出。

2.根據權利要求1所述的基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，所述腳步規劃器根據輸入的步長信息生成一組足跡位置，其中步長信息包括步長(SL)、步寬(SW)、步長持續時間(SD)、單支撐持續時間(SSD)和雙支撐持續時間(DSD)。

3.根據權利要求2所述的基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，所述零動量點規劃器基于指定足跡并使用以下公式生成零動量點軌跡：

其中t表示時間，在每個步驟結束時重置，(t≥T_ss+T_ds)，T_ss、T_ds分別是單支撐階段和雙支撐階段的持續時間，fi＝[f_i,x?f_i,y]是2D平面上的一組計劃腳部位置(i∈N)。

4.根據權利要求3所述的基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，所述質心規劃器的動力學模型是基于線性倒立擺模型，根據所述動力學模型，質心僅限于沿預定義的水平面移動，因此，矢狀面和冠狀面的運動是解耦、獨立的；所述動力學模型通過一階穩定動力學方程表示仿人機器人的整體動力學，如下所示：

式中，x代表COM在矢狀面上的位置,為擺錘的固有頻率，p_x是零動量點的位置，零動量點是地平面上的一個點，地面反作用力在該點起作用，以補償重力和慣性；

計算質心軌跡，所述質心軌跡可通過將上述動力學方程作為邊值問題求解而獲得，求解微分方程所考慮的邊界條件是質心在行走步伐開始和結束時的位置；因此，使用以下函數獲得質心軌跡：

其中t₀、t_f、x₀、x_f分別是在步驟開始和結束時質心的時間和相應位置。

5.根據權利要求4所述的基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，所述發散運動分量的動態定義如下：

式中，ζ,分別表示發散運動分量和質心的速度，通過對上述方程兩側取導數得出對應的導數方程，并將方程代入所述導數方程，能夠得到線性倒立擺模型的動力學方程的狀態空間表達式，如下所示：

根據這個狀態空間矩陣，質心在無控制的情況下總是收斂到發散運動分量，發散運動分量參考軌跡可通過將生成的質心軌跡及其導數代入方程來生成。

6.根據權利要求1所述的基于發散運動分量的下肢外骨骼機器人控制系統，其特征在于，所述線性二次高斯控制器跟蹤的最佳狀態反饋控制律設計如下：

其中，x，x_des分別表示估計狀態和期望狀態，x_i是積分器輸出，K表示設計用于最小化以下成本函數的最佳增益矩陣，如下所示：

其中z^T為z的轉置矩陣，Q是線性二次型函數的性能指標函數，R是線性二次型函數中控制量的權重，它們是跟蹤性能和控制成本之間的折衷,可根據需要通過測試進行調整。