基于非线性扩展状态观测器的下肢外骨骼反步控制方法

1.本发明属于外骨骼机器人领域，特别涉及一种下肢外骨骼反步控制技术。


背景技术：

2.外骨骼作为一种将人的智慧与机械的力量结合起来的人机一体化装置，能够通过操作 者的简单控制使机械提供的强大动力被人体运用，使操作者能够完成自身无法完成的任务。 而下肢外骨骼作为一种辅助行走装置，它将外骨骼的机械结构和人的双腿耦合在一起，通 过人体控制、外部供能的方式使自身行动不便或无法行走的操作者可以自主行走。并且可 以设计不同的步态、步速来适应不同残疾状况的病人，提高治疗效果。外骨骼主要由以下 几个部分组成：(1)机械结构部分。负重外骨骼由于其负重功能的要求，多采用髋 膝 踝结 构，而康复外骨骼由于多用于病患，需减少关节的活动，因此多采用髋 膝的结构。机械 结构多为质量轻，强度大，抗疲劳的材料，如铝合金、钛合金、纳米材料等；(2)动力系统。 外骨骼的动力系统主要为外骨骼的助力提供动力来源，提供动力的方式可以是液压，电机， 气动等；(3)传感器系统。外骨骼的传感器系统主要用来获取人机交互过程中各种信号，用 以判断人体步态或运功意图；(4)控制系统。通常利用matlab/simulink等软件实现所提出的 控制算法及相关方法后，在下载到相应的硬件控制器中。但是现有技术中存在外部扰动影 响，使得控制器的响应能力、跟踪精度均不高，不利于康复训练。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明首先提出一种基于非线性扩展状态观测器的下肢外骨骼 反步控制方法，采用非线性扩展状态观测器消除外部扰动及估计未测量参数，有效的估计 了系统总扰动，降低了其带来的影响；其次提出了一种外骨骼装置，采用基于非线性扩展 状态观测器的反步控制器进行电机驱动。
4.本发明采用的技术方案之一为：一种基于非线性扩展状态观测器的下肢外骨骼反步控 制方法，采用非线性扩展状态观测器消除外部扰动及估计未测量参数，采用基于该非线性 扩展状态观测器的反步控制器进行下肢外骨骼装置的电机控制；
5.所述非线性扩展状态观测器的输入为大小腿力矩τ以及关节实际位置q，输出为外部扰 动的估计估计位置以及估计速度
6.基于该非线性扩展状态观测器的反步控制器的输入为理想输入的关节位置信息qd、微 分关节实际位置q以及非线性扩展状态观测器输出的外部扰动的估计估计位置估计速度其输出为大小腿力矩τ。
7.所述非线性扩展状态观测器设计为：
8.9.其中，是状态x的估计值，表示的导数，u＝τ， τ表示大小腿力矩，表示φ(x)的估计值，x1表 示关节角度，x2表示关节角加速度，h是观测器增益，是非线性反馈矩阵， τ
ext
表示人机交互力矩。
10.所述反步控制器设计为：
[0011][0012]
其中，m0为m0(q)的缩写，m0(q)表示惯性矩阵；c0为的缩写，表 示科氏力矩阵；g0为g0(q)的缩写，g0(q)表示重力；为τ
f,0
的估计值，τ
f,0
为的 缩写，表示摩擦力；为z2的估计值，z1是对应x1的所定义的系统误差，z2是对应 x2的所定义的系统误差，k2表示正定矩阵，是的导数，表示β的估计值，β表示虚 拟控制量，是x3的估计值，x3为扩展状态变量。
[0013][0014]
其中，表示集合不确定性。
[0015][0016]
其中，d(t)表示外部扰动，m
△
(q)、g
△
(q)、分别是惯性矩阵、科氏 力矩阵、重力、摩擦力的辨识误差。
[0017]
本发明的有益效果：本发明设计了一种基于非线性扩展状态观测器的下肢外骨骼反步 控制方法；本发明使用非线性扩展状态观测器对未知的外部扰动和未进行直接测量的关节 速度进行了观测，有效的估计了系统总扰动，降低了其带来的影响；本发明使用基于非线 性扩展状态观测器的反步控制器实现下肢外骨骼系统的稳定控制。
附图说明
[0018]
图1为本发明方法的实现框图；
[0019]
图2为本发明的反步控制器实现框图。
具体实施方式
[0020]
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一
步阐 释。
[0021]
1、本实施例中以如图1所示的下肢外骨骼系统框图为例进行说明：
[0022]
图1所示的系统框图，主要包括反步控制器、下肢外骨骼系统模块(即图1中的system) 以及扩展状态观测器。如图1中所示；其中反步控制器可以根据理想输入的关节位置信息 qd、微分外骨骼系统得到的关节实际位置q以及扩展状态观测器估计的估计位置估 计速度外部扰动的估计得到大小腿的力矩τ；下肢外骨骼系统模块可以根据输入的大 小腿力矩τ得到关节实际位置q；其中扩展状态观测器可以根据输入的大小腿力矩τ以及关 节实际位置q估计得到外部扰动的估计估计位置以及估计速度
[0023]
本领域的技术人员应知本发明中提到的理想输入具体为：外骨骼目标是为了康复训练， 理想输入的作用是输入一个轨迹，帮助患者进行康复训练，这个轨迹是根据患者的情况指 定的，经过数字转换后就可以制定为轨迹作为输入。
[0024]
2、基于非线性扩展状态观测器的下肢外骨骼反步控制器的设计
[0025]
21、拉格朗日动力学建模
[0026]
二自由度下肢外骨骼的动力学模型描述如下
[0027][0028]
其中为两个外骨骼关节的位置，这里的关节具体指左右腿部的膝关节，以及分别为惯性矩阵、科氏 力矩阵、重力、摩擦力以及外部扰动，表示q的一次导数，表示实数矩阵。为两 个关节电机的驱动力矩，为人机交互力矩，τ
ext
＝j
tfext
，上标t表示转置，f
ext
为 人机交互力，j为雅克比矩阵。
[0029]
其中m(q)，g(q)以及可以被表示为
[0030][0031]
其中m0(q)，g0(q)，是由参数辨识得到的普通项，在矩阵理论 中表示复数矩阵，下文统一缩写为m0、c0、g0、τ
f,0
；m
△
(q)、g
△
(q)、是参数辨识误差。
[0032]
因此，(1)可以被重写为如下形式
[0033][0034]
其中，表示q的二次导数，集合不确定性可以表示为
[0035][0036]
22、非线性扩展状态观测器的设计
[0037]
为了解决未测量的关节速度和外部扰动d(t)的问题，设计一种基于neso(非线性 扩展状态观测器)的反步控制器，以提高外骨骼装置的响应能力和跟踪精度。
[0038]
外骨骼状态变量可以定义为x1＝[q1,q2]
t
，x1表示关节角度，x2表示关
节 角加速度，以及扩展状态变量所以(3)的状态空间方程可以表示为
[0039][0040]
其中，δ(t)为x3的时间导数。
[0041]
如果总状态向量可以定义为x＝[x1,x2,x3]
t
，则(5)可以被表示为
[0042][0043]
其中
[0044][0045]
其中，02×2为2
×
2的0矩阵，i2×2为2
×
2的单位矩阵，为临时变量，用于简化矩 阵表示的。
[0046]
外骨骼关节位置q以及人机交互力τ
ext
可以通过绝对编码器和3-d力传感器测得，但是 关节速度无法直接通过绝对编码器获得。因此，neso的设计不仅需要估计未测量的系 统状态x2，而且需要估计总不确定度x3。
[0047]
这里绝对编码器测得的外骨骼关节位置q即外骨骼系统得到的关节实际位置q；本领 域的技术人员应知下肢外骨骼的电机中包括绝对编码器，具体的下肢外骨骼系统可以参考 专利申请号为202111332323.7的专利申请，下肢外骨骼系统为现有已知技术，本发明中不 做详细介绍；如专利申请号为202111332323.7的专利申请中，下肢外骨骼系统中的3-d力 传感器包括腰部的3-d力传感器和腿部的3-d力传感器，通过这两个3-d力传感器测得多 维的人机交互力τ
ext
。
[0048]
根据(7)，neso可以被设计为如下形式
[0049][0050]
其中，是状态x的估计值，表示的导数，的导数，是观测器增益，ω0是可调的观测器带宽， 是非线性反馈矩阵，其中
[0051][0052]
其中，δ、α为常数，sign(x)为符号函数，当x》0，sign(x)＝1；当x＝0，sign(x)＝0；当 x《0，sign(x)＝-1。本领域的技术人员应知，x
11
用于表示x1的第一维，即q1，同理x
12
用于表 示x1的第二维，即q2。
[0053]
23、反步控制器的设计
[0054]
根据外骨骼动力学模型(3)，取x1＝[q1,q2]
t
，状态空间表达式为
[0055][0056]
定义系统误差
[0057][0058]
其中，z1是对应x1的所定义的系统误差，z2是对应x2的所定义的系统误差， xd＝[q
1d
,q
2d
]
t
为期望输入，为虚拟控制量，为正定矩阵。这里的期 望输入对应图1中的qd，qd为二维。
[0059]
基于neso的反步控制器可以被设计为
[0060][0061]
其中，k2为正定矩阵，为正定矩阵，
[0062]
外骨骼装置根据τ控制电机运转，然后根据电机的绝对值编码器测得实际的关节位置q。
[0063]
观测器与控制器还包括采用合适的李雅普诺夫函数仅稳定性验证，具体验证过程为现 有已知技术，本发明不做详细阐述。
[0064]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的 原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的 技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任 何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。