[發(fā)明專利]一種人機(jī)在環(huán)調(diào)試的踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法

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• 申請日: 2022-10-08
• 公開（公告）號: CN115542723A
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王念峰;孫澤時;黎子田
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué);廣東天物新材料科技有限公司
• 主分類號: G05B11/42
• 分類號: G05B11/42
• 代理公司: 廣州市華學(xué)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44245
• 代理人: 黃衛(wèi)萍

本發(fā)明公開了一種人機(jī)在環(huán)調(diào)試的踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法，可用于在不同的穿戴者和行走工況的條件下整定踝關(guān)節(jié)外骨骼的PD控制器參數(shù)使控制效果達(dá)到最優(yōu)，整定過程通過人機(jī)在環(huán)的在線調(diào)節(jié)，無須特定測試環(huán)境或設(shè)備的介入。該方法過程如下：通過穿戴者在步行工況的踝關(guān)節(jié)外骨骼實(shí)際運(yùn)行過程中采集PD控制器的比例系數(shù)K_p和微分系數(shù)K_d參數(shù)組合，以及對應(yīng)的輔助力控制誤差，導(dǎo)入高斯回歸算法中進(jìn)行曲面擬合，得到曲面的最低點(diǎn)(即預(yù)測的控制誤差最小)的K_p和K_d參數(shù)，再反導(dǎo)入到外骨骼PD控制器中更新參數(shù)，重復(fù)人機(jī)在環(huán)的參數(shù)迭代過程，最終K_p和K_d參數(shù)收斂時即代表PD控制器參數(shù)整定至針對當(dāng)前穿戴者及步行工況的最優(yōu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及外骨骼控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人機(jī)在環(huán)調(diào)試的踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法。

背景技術(shù)

外骨骼系統(tǒng)是一種典型的人機(jī)系統(tǒng)，其工作過程是人體與機(jī)器人相互合作，以人體的各種主觀意圖為規(guī)劃核心，結(jié)合傳感器技術(shù)的感知和機(jī)器人的力量優(yōu)勢來落實(shí)和拓展。踝關(guān)節(jié)外骨骼通過外骨骼驅(qū)動系統(tǒng)向踝關(guān)節(jié)施加一個輔助力矩，在步行運(yùn)動中部分替代人體踝關(guān)節(jié)本身的發(fā)力，以此起到減少人體代謝消耗的效果。由于踝關(guān)節(jié)的步行運(yùn)動具有特定的生物力學(xué)性質(zhì)，外骨骼施加的輔助力矩須要具備合適的樣式以貼合它，才能實(shí)現(xiàn)替代踝關(guān)節(jié)發(fā)力的效果，因此，踝關(guān)節(jié)外骨骼要有合適的控制器，依照合適的輔助力矩樣式來控制外骨骼的驅(qū)動力，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前步態(tài)周期相位所需的目標(biāo)輔助力矩大小。

當(dāng)前踝關(guān)節(jié)外骨骼的控制常采用基于力反饋的PD控制器，其性質(zhì)由比例系數(shù)K_p及微分系數(shù)K_d決定，然而不同的穿戴者和不同的步行工況都會影響外骨骼與人體組成的系統(tǒng)，導(dǎo)致達(dá)到最優(yōu)控制效果時的PD控制器的K_p和K_d參數(shù)往往有所不同。為此，有必要根據(jù)不同工況來對外骨骼PD控制器的參數(shù)進(jìn)行整定以使其控制效果最優(yōu)，而外骨骼具有特殊性，不像一般設(shè)備可以孤立地在測試臺架上進(jìn)行控制器參數(shù)整定，而必須與目標(biāo)穿戴者組合并在目標(biāo)步行工況中才能表征出PD控制器所控制的系統(tǒng)。目前，亟待提出一種人機(jī)在環(huán)的外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種人機(jī)在環(huán)調(diào)試的踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法。該方法通過在穿戴者在步行工況的踝關(guān)節(jié)外骨骼實(shí)際運(yùn)行過程中采集PD控制器的比例系數(shù)K_p和微分系數(shù)K_d參數(shù)組合，以及對應(yīng)的輔助力控制誤差，導(dǎo)入高斯回歸算法中進(jìn)行曲面擬合，得到曲面的最低點(diǎn)(即預(yù)測的控制誤差最小)的K_p和K_d參數(shù)，再反導(dǎo)入到外骨骼PD控制器中更新參數(shù)，重復(fù)人機(jī)在環(huán)的參數(shù)迭代過程，最終K_p和K_d參數(shù)收斂時即代表PD控制器參數(shù)整定至針對當(dāng)前穿戴者及步行工況的最優(yōu)。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達(dá)到：

一種人機(jī)在環(huán)調(diào)試的踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器參數(shù)整定方法，所述參數(shù)整定方法包括如下步驟：

步驟S1、選取初始PD控制器參數(shù)，通過記錄外骨骼在當(dāng)前PD控制器參數(shù)下的輔助力控制誤差，建立外骨骼PD控制器參數(shù)整定的初始樣本集，此步驟為步驟S2的高斯回歸過程提供了初始樣本集用于訓(xùn)練；

步驟S2、將初始樣本集在內(nèi)的現(xiàn)有樣本集作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，導(dǎo)入高斯回歸算法中進(jìn)行訓(xùn)練，重復(fù)求解最優(yōu)樣本點(diǎn)直至滿足收斂條件，其中最優(yōu)樣本點(diǎn)為使每個步態(tài)周期PD控制器誤差最小的點(diǎn)，滿足收斂條件后，確定最優(yōu)比例系數(shù)K_p和微分系數(shù)K_d取值作為踝關(guān)節(jié)外骨骼PD控制器的參數(shù)整定結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述步驟S1過程如下：