康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于輪式康復(fù)機(jī)器人的控制領(lǐng)域，尤其是關(guān)于康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自 由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，由于疾病和交通事故等原因，使步行功能障礙患者逐年 增多。然而，我國(guó)醫(yī)護(hù)資源不足和醫(yī)療費(fèi)用昂貴等問(wèn)題，使許多患者錯(cuò)過(guò)了最佳恢復(fù)期，從 而導(dǎo)致患者步行功能逐漸喪失，給家庭和社會(huì)帶來(lái)沉重的負(fù)擔(dān)。因此，發(fā)展康復(fù)機(jī)器人及時(shí) 有效對(duì)患者進(jìn)行步行功能訓(xùn)練具有重要意義。由于本發(fā)明所研宄的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人 是冗余機(jī)器人，到目前為止，還沒(méi)有對(duì)冗余康復(fù)機(jī)器人從能量角度考慮軌跡跟蹤的最優(yōu)控 制問(wèn)題。因此研宄如何使康復(fù)機(jī)器人能量消耗最小并實(shí)現(xiàn)軌跡跟蹤的最優(yōu)控制具有重要意 義。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0003] 發(fā)明目的：
[0004] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最 優(yōu)軌跡跟蹤方法。
[0005] 技術(shù)方案：
[0006] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：
[0007] 一種康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法，其特征在于：該 康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人是一種冗余機(jī)器人，基于冗余機(jī)器人特征，結(jié)合精確反饋線(xiàn)性化理論， 建立系統(tǒng)的線(xiàn)性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的二次型 性能指標(biāo)，采用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制；具體步驟 如下：
[0008] 1)基于冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的特征，結(jié)合精確反饋線(xiàn)性化理論，建立系統(tǒng)的 線(xiàn)性化模型；
[0009] 2)以系統(tǒng)控制能量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的二次型性能指標(biāo)，采 用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)達(dá)到能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制；
[0010] 3)基于MSP430系列單片機(jī)將輸出PWM信號(hào)提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì) 參考軌跡信號(hào)的跟蹤。
[0011] 步驟1)中，首先，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型：
[0012] MiiX = B(O)U(J)式（1)
[0013]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法，其特征在于：該康 復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人是一種冗余機(jī)器人，基于冗余機(jī)器人特征，結(jié)合精確反饋線(xiàn)性化理論，建 立系統(tǒng)的線(xiàn)性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的二次型性 能指標(biāo)，采用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制；具體步驟如 下： 1) 基于冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的特征，結(jié)合精確反饋線(xiàn)性化理論，建立系統(tǒng)的線(xiàn)性 化模型； 2) 以系統(tǒng)控制能量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的二次型性能指標(biāo)，采用優(yōu) 化控制方法，使系統(tǒng)達(dá)到能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制； 3) 基于MSP430系列單片機(jī)將輸出PWM信號(hào)提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)參考 軌跡信號(hào)的跟蹤。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：步驟1)中，首先，建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型：
其中凡為包含機(jī)器人質(zhì)量M、康復(fù)者質(zhì)量m和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量h的系數(shù)矩陣，X為機(jī)器人的實(shí) 際行走軌跡，B(0)為機(jī)器人旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)成的系數(shù)矩陣，u(t)表示機(jī)器人的控制輸入力，0 表示水平軸和機(jī)器人中心與第一個(gè)輪子中心連線(xiàn)間的夾角。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：對(duì)動(dòng)力學(xué)模型（1)兩側(cè)同時(shí)左乘系數(shù)矩陣M。的逆，將式（1)化為如下表達(dá)形 式：
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：根據(jù)康復(fù)機(jī)器人實(shí)際行走軌跡X和醫(yī)生指定訓(xùn)練軌跡Xd的跟蹤誤差e(t)，得 到如下形式的誤差狀態(tài)模型：
D
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：設(shè)計(jì)控制器"(/) =fi(仍(足,+v，(/))，其中⑷)）、建立系 統(tǒng)的線(xiàn)性化模型為：
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：步驟2)中，基于誤差狀態(tài)模型，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二次型性能指標(biāo)為：
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：基于最優(yōu)控制理論使性能指標(biāo)J最小的最優(yōu)控制力v(t)為 v(t) = -R_1BtPx(t) 其中R為正常數(shù)
且滿(mǎn)足PA+ATp-PBRlTp= 0 ; 進(jìn)一步，控制力
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：采用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)達(dá)到能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制，將 v(t)代入u(t)，得到
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：步驟3)中，以MSP430系列單片機(jī)為主控制器，主控制器的輸入接電機(jī)測(cè)速模 塊、輸出接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與直流電機(jī)相連；電源系統(tǒng)給各個(gè)電氣設(shè)備供電。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1或9所述的康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤 方法，其特征在于：主控制器控制方法為讀取電機(jī)編碼器的反饋信號(hào)與主控制器給定的控 制命令信號(hào)Xd，計(jì)算得出誤差信號(hào)；根據(jù)誤差信號(hào)，主控制器按照預(yù)定的控制算法計(jì)算出電 機(jī)的控制量，送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輪子維持自身平衡及按指定方式運(yùn)動(dòng)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法，基于康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的全自由度特征，結(jié)合精確反饋線(xiàn)性化理論，建立系統(tǒng)的線(xiàn)性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)冗余康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人的二次型性能指標(biāo)，采用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)能量消耗最小并完成軌跡跟蹤最優(yōu)控制；本發(fā)明將輸出PWM信號(hào)提供給電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)參考軌跡信號(hào)的跟蹤。該控制方法可以使康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人在完成軌跡跟蹤時(shí)全自由度控制力能量消耗最小。
【IPC分類(lèi)】G05D1-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104808657
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510075924
【發(fā)明人】孫平, 王洲洲, 薛偉霖, 周小舟, 常洪彬
【申請(qǐng)人】沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年2月12日