康復步行訓練機器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法
【技術領域】：
[0001] 本發(fā)明屬于輪式康復機器人的控制領域，尤其是關于康復步行訓練機器人的全自 由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法。
【背景技術】：
[0002] 隨著老齡化社會的到來，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，我國醫(yī)護資源不足和醫(yī)療費用昂貴等問題，使許多患者錯過了最佳恢復期，從 而導致患者步行功能逐漸喪失，給家庭和社會帶來沉重的負擔。因此，發(fā)展康復機器人及時 有效對患者進行步行功能訓練具有重要意義。由于本發(fā)明所研宄的康復步行訓練機器人 是冗余機器人，到目前為止，還沒有對冗余康復機器人從能量角度考慮軌跡跟蹤的最優(yōu)控 制問題。因此研宄如何使康復機器人能量消耗最小并實現(xiàn)軌跡跟蹤的最優(yōu)控制具有重要意 義。

【發(fā)明內容】
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[0003] 發(fā)明目的：
[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種康復步行訓練機器人的全自由度控制力最 優(yōu)軌跡跟蹤方法。
[0005] 技術方案：
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的：
[0007] 一種康復步行訓練機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 康復步行訓練機器人是一種冗余機器人，基于冗余機器人特征，結合精確反饋線性化理論， 建立系統(tǒng)的線性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎，設計冗余康復步行訓練機器人的二次型 性能指標，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)基于冗余康復步行訓練機器人的特征，結合精確反饋線性化理論，建立系統(tǒng)的 線性化模型；
[0009] 2)以系統(tǒng)控制能量為基礎，設計冗余康復步行訓練機器人的二次型性能指標，采 用優(yōu)化控制方法，使系統(tǒng)達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系列單片機將輸出PWM信號提供給電機驅動單元，使機器人實現(xiàn)對 參考軌跡信號的跟蹤。
[0011] 步驟1)中，首先，建立系統(tǒng)的動力學模型：
[0012] MiiX = B(O)U(J)式（1)
[0013]
【主權項】
1. 一種康復步行訓練機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 復步行訓練機器人是一種冗余機器人，基于冗余機器人特征，結合精確反饋線性化理論，建 立系統(tǒng)的線性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎，設計冗余康復步行訓練機器人的二次型性 能指標，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) 基于冗余康復步行訓練機器人的特征，結合精確反饋線性化理論，建立系統(tǒng)的線性 化模型； 2) 以系統(tǒng)控制能量為基礎，設計冗余康復步行訓練機器人的二次型性能指標，采用優(yōu) 化控制方法，使系統(tǒng)達到能量消耗最小并完成軌跡跟蹤的最優(yōu)控制； 3) 基于MSP430系列單片機將輸出PWM信號提供給電機驅動單元，使機器人實現(xiàn)對參考 軌跡信號的跟蹤。
2. 根據(jù)權利要求1所述的康復步行訓練機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)的動力學模型：
其中凡為包含機器人質量M、康復者質量m和轉動慣量h的系數(shù)矩陣，X為機器人的實 際行走軌跡，B(0)為機器人旋轉角度構成的系數(shù)矩陣，u(t)表示機器人的控制輸入力，0 表示水平軸和機器人中心與第一個輪子中心連線間的夾角。
3. 根據(jù)權利要求2所述的康復步行訓練機器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：對動力學模型（1)兩側同時左乘系數(shù)矩陣M。的逆，將式（1)化為如下表達形 式：
4. 根據(jù)權利要求3所述的康復步行訓練機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)康復機器人實際行走軌跡X和醫(yī)生指定訓練軌跡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)權利要求4所述的康復步行訓練機器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法， 其特征在于：設計控制器"(/) =fi(仍(足,+v，(/))，其中⑷)）、建立系 統(tǒng)的線性化模型為：
6. 根據(jù)權利要求1所述的康復步行訓練機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，設計系統(tǒng)的二次型性能指標為：
7. 根據(jù)權利要求6所述的康復步行訓練機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)
且滿足PA+ATp-PBRlTp= 0 ; 進一步，控制力
8. 根據(jù)權利要求7所述的康復步行訓練機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)權利要求1所述的康復步行訓練機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系列單片機為主控制器，主控制器的輸入接電機測速模 塊、輸出接電機驅動模塊；電機驅動電路與直流電機相連；電源系統(tǒng)給各個電氣設備供電。
10. 根據(jù)權利要求1或9所述的康復步行訓練機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編碼器的反饋信號與主控制器給定的控 制命令信號Xd，計算得出誤差信號；根據(jù)誤差信號，主控制器按照預定的控制算法計算出電 機的控制量，送給電機驅動單元，電機轉動帶動輪子維持自身平衡及按指定方式運動。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種康復步行訓練機器人的全自由度控制力最優(yōu)軌跡跟蹤方法，基于康復步行訓練機器人的全自由度特征，結合精確反饋線性化理論，建立系統(tǒng)的線性化模型；以系統(tǒng)控制能量為基礎，設計冗余康復步行訓練機器人的二次型性能指標，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信號提供給電機驅動單元，使機器人實現(xiàn)對參考軌跡信號的跟蹤。該控制方法可以使康復步行訓練機器人在完成軌跡跟蹤時全自由度控制力能量消耗最小。
【IPC分類】G05D1-02
【公開號】CN104808657
【申請?zhí)枴緾N201510075924
【發(fā)明人】孫平, 王洲洲, 薛偉霖, 周小舟, 常洪彬
【申請人】沈陽工業(yè)大學
【公開日】2015年7月29日
【申請日】2015年2月12日