一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制
方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及轮式康复机器人的控制领域，尤其是关于轮式下肢康复机器人的控制方法。
背景技术
[0002] 交通事故及人口老龄化使步行障碍患者逐年增多，由于我国缺少专业康复人员，导致步行障碍患者无法得到及时有效的运动训练，从而步行功能逐渐丧失，无法实现日常独立生活。随着康复步行机器人在康复中心、养老院等场所的应用，有效解决了康复人员短缺的问题。然而，在实际应用中，不同质量的训练者严重干扰了步行机器人对康复医生
指定运动轨迹的跟踪
精度，无法达到理想的康复效果。因此，研究步行机器人的控制方法，使其能适应不同质量患者的康复训练具有重要意义。
[0003] 近年来，康复步行机器人轨迹跟踪控制已有许多研究成果，然而这些结果都无法解决不同训练者质量随机变化问题。如果步行机器人不能适应不同质量的训练者，不仅影响跟踪精度，而且过大的轨迹跟踪误差会使机器人碰撞周围的物体，从而威胁训练者的安全。到目前为止，还没有关于不同训练者质量随机变化的跟踪控制方法，本发明基于新视
角研究了提高康复步行机器人跟踪精度的方法，对保障训练者的安全性具有重要意义。
发明内容
[0004] 发明目的：
[0005] 为了解决上述问题，本发明提供了一种适应不同质量训练者的康复步行机器人的跟踪控制方法，目的是提高机器人的跟踪精度，从而保障训练者的安全。
[0006] 技术方案：
[0008] 1)、根据康复步行机器人的动
力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程；
[0009] 2)、基于1)步骤的随机微分方程和随机Lyapunov(李雅普诺夫)稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪
控制器；
[0010] 3)、基于2)步骤中的跟踪控制器，利用MSP430系列
单片机将输出PWM
信号提供给康复步行机器人的
电机驱动模
块，使康复步行机器人帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
[0011] 1)步骤中康复步行机器人的动力学模型描述如下：
[0012]
[0013] 其中
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] X(t)为康复训练机器人的实际行走轨迹，u(t)表示控制输入力，fi表示每个轮子的输入力，M表示机器人的质量，m表示康复者的质量，I0表示
转动惯量，M0,K(θ), B(θ)为系数矩阵；θ表示
水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ1，由康复步行机器人结构知， θ3＝θ+π， li表示系统
重心到每个轮子中心的距离，λi表示重心到每个轮子的距离，r0表示中心到重心的距离，φi表示x′轴和每个轮子对应的li之间的夹角， i＝1,2,3,4；
[0019] 提取系数矩阵M0K(θ)中训练者的质量m，并将其转化到随机噪声ξ(t)中，得到如下方程：
[0020]
[0021] 其中
[0022]
[0023]
[0024] 根据方程(2)，将随机噪声ξ(t)表示为 其中A表示7维独立随机过程，得[0025]
[0026] 令 并计算
[0027]
[0028] 进一步，式(3)化为
[0029]
[0030] 设随机噪声ξ(t)的谱
密度为 即 成立，其中Ω表示谱密度矩阵，表示具有谱密度分布的随机过程，于是得康复步行机器人的随机微分方程
[0031]
[0032] 3、根据
权利要求1所述的一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法，其特征在于：2)步骤中跟踪控制器获得方法如下：康复步行机器人实际行走轨迹X(t)，医生指定训练轨迹Xd(t)，设运动轨迹跟踪误差e1(t)和速度跟踪误差e2(t)分别为[0033] e1(t)＝X(t)-Xd(t) (7)
[0034]
[0035] 其中α表示待设计的参数，根据康复步行机器人随机微分方程得到跟踪误差系统如下：
[0036]
[0037] 设计Lyapunov函数为
[0038]
[0039] 基于随机稳定理论，得
[0040]
[0041] 根据Young’s不等式，对于给定的常数γ1＞0,γ2＞0，有
[0042]
[0043]
[0044] 其中， 表示矩阵的F范数，且 上界为h；I表示适当维数的单位矩阵；
[0045] 进一步，设计控制器u(t)如下：
[0046]
[0047] 其中 待设计参数 c1＞0,c2＞0表示控制器参数；
[0048] 这样，在控制器(14)作用下，并根据式(11)，使跟踪误差系统(9)实现随机指数稳定；由于控制器u(t)中没有康复者质量信息，因此对于不同质量的训练者，康复步行机器人都能跟踪医生指定的训练轨迹。
[0049] 3)步骤中：以单片机为
主控制器，主控制器的输入接电机测速模块、输出接电机驱动模块；电机驱动模块与直流电机相连；电源系统给各个电气设备供电；主控制器控制方法为读取电机
编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号Xd(t)和 计算得出误差信号；根据误差信号，主控制器按照预定的2)步骤中控制器的控制
算法计算出电机的控制量，送给电机驱动模块，电机转动带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
[0050] 一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制系统，该系统包括随机微分方程构建模块、跟踪控制器获得模块和训练轨迹模块；
[0051] 随机微分方程构建模块根据康复步行机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程；
[0052] 跟踪控制器获得模块基于随机微分方程构建模块的随机微分方程和随机Lyapunov(李雅普诺夫) 稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器；
[0053] 训练轨迹模块基于跟踪控制器获得模块中的跟踪控制器，利用MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给康复步行机器人的电机驱动模块，使康复步行机器人帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
[0054] 优点及效果：
[0055] 本发明利用康复步行训练机器人的动力学模型，将系数矩阵M0K(θ)中训练者的质量m转化为随机变量，建立了康复步行机器人的随机微分方程；提出了不同训练者质量随机变化的控制器设计方法，基于随机Lyapunov稳定理论，构建了轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得了可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器，提高了康复步行机器人系统的跟踪精度并保障了训练者的安全。
[0056] 1)根据康复步行机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程；
[0057] 2)基于随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器；
[0058] 3)基于MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使康复步行机器人可帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
[0059] 步骤如下：
[0060] 步骤1)基于康复训练机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程，其特征在于：系统的动力学模型描述如下[0061]
[0062] 其中
[0063]
[0064]
[0065]
[0066]
[0067] X(t)为康复训练机器人的实际行走轨迹，u(t)表示控制输入力，M表示机器人的质量，m表示康复者的质量，I0表示转动惯量，M0,K(θ), B(θ)为系数矩阵。θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ1，由康复步行机器人结构可知，θ3＝θ+π， li表示系统重心到每个轮子中心的距离，r0表示中心到重心的距离，φi表示x′轴和每个轮子对应的li之间的夹角，i＝1,2,3,4。
[0068] 提取系数矩阵M0K(θ)中训练者的质量m，并将其转化到随机噪声ξ(t)中，得到如下方程：
[0069]
[0070] 其中
[0071]
[0072]
[0073] 根据方程(2)，将随机噪声ξ(t)表示为 其中A表示7维独立随机过程，可得
[0074]
[0075] 令 并计算
[0076]
[0077] 进一步，式(3)可化为
[0078]
[0079] 设随机噪声ξ(t)的谱密度为 即 成立，其中Ω表示谱密度矩阵，表示具有谱密度分布的随机过程，于是可得康复步行机器人的随机微分方程[0080]
[0081] 步骤2)基于随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器，其特征在于：康复步行机器人实际行走轨迹X(t)，医生指定训练轨迹Xd(t)，设运动轨迹跟踪误差e1(t)和速度跟踪误差e2(t)分别为
[0082] e1(t)＝X(t)-Xd(t) (7)
[0083]
[0084] 其中α表示待设计的参数，根据康复步行机器人随机微分方程得到跟踪误差系统如下：
[0085]
[0086] 设计Lyapunov函数为
[0087]
[0088] 基于随机稳定理论，得
[0089]
[0090] 根据Young’s不等式，对于给定的常数γ1＞0,γ2＞0，有
[0091]
[0092]
[0093] 其中， 表示矩阵的F范数，且 上界为h；I表示适当维数的单位矩阵。
[0094] 进一步，设计控制器u(t)如下：
[0095]
[0096] 其中 待设计参数 c1＞0,c2＞0表示控制器参数。
[0097] 这样，在控制器(14)作用下，并根据式(11)，可使跟踪误差系统(9)实现随机指数稳定。由于控制器u(t)中没有康复者质量信息，因此对于不同质量的训练者，康复步行机器人都能跟踪医生指定的训练轨迹。
[0098] 步骤3)基于MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使康复步行机器人可帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹，其特征在于：以MSP430系列单片机为主控制器，主控制器的输入接电机测速模块、输出接电机驱动模块；电机驱动模块与直流电机相连；电源系统给各个电气设备供电。主控制器控制方法为读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号Xd(t)和 计算得出误差信号。根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出电机的控制量，送给电机驱动模块，电机转动带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
[0099] 优点及效果：
[0100] 本发明是一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法，具有如下优点：
[0101] 本发明结合动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的康复步行机器人的随机微分方程；基于随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器。本发明控制器设计简单，易于实现，控制器中没有训练者的质量信息，从而使康复步行机器人能应用于不同训练者，避免了训练者质量变化对跟踪性能的影响，提高了轨迹跟踪精度并保障了训练者的安全。
附图说明
[0103] 图2为本发明系统坐标图；
[0104] 图3为本发明MSP430单片机最小系统；
具体实施方式
[0107] 下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明保护范围不受
实施例的限制。
[0108] 一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法，该方法如下：
[0109] 1)根据康复步行机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程；
[0110] 2)基于随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器；
[0111] 3)基于MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使康复步行机器人可帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
[0112] 步骤如下：
[0113] 步骤1)基于康复训练机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程，其特征在于：系统的动力学模型描述如下[0114]
[0115] 其中
[0116]
[0117]
[0118]
[0119]
[0120] X(t)为康复训练机器人的实际行走轨迹，u(t)表示控制输入力，M表示机器人的质量，m表示康复者的质量，I0表示转动惯量，M0,K(θ), B(θ)为系数矩阵。θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角，即θ＝θ1，由康复步行机器人结构可知，θ3＝θ+π， li表示系统重心到每个轮子中心的距离，r0表示中心到重心的距离，φi表示x′轴和每个轮子对应的li之间的夹角，i＝1,2,3,4。
[0121] 提取系数矩阵M0K(θ)中训练者的质量m，并将其转化到随机噪声ξ(t)中，得到如下方程：
[0122]
[0123] 其中
[0124]
[0125]
[0126] 根据方程(2)，将随机噪声ξ(t)表示为 其中A表示7维独立随机过程，可得
[0127]
[0128] 令 并计算
[0129]
[0130] 进一步，式(3)可化为
[0131]
[0132] 设随机噪声ξ(t)的谱密度为 即 成立，其中Ω表示谱密度矩阵，表示具有谱密度分布的随机过程，于是可得康复步行机器人的随机微分方程[0133]
[0134] 步骤2)基于随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器，其特征在于：康复步行机器人实际行走轨迹X(t)，医生指定训练轨迹Xd(t)，设运动轨迹跟踪误差e1(t)和速度跟踪误差e2(t)分别为
[0135] e1(t)＝X(t)-Xd(t) (7)
[0136]
[0137] 其中α表示待设计的参数，根据康复步行机器人随机微分方程得到跟踪误差系统如下：
[0138]
[0139] 设计Lyapunov函数为
[0140]
[0141] 基于随机稳定理论，得
[0142]
[0143] 根据Young’s不等式，对于给定的常数γ1＞0,γ2＞0，有
[0144]
[0145]
[0146] 其中， 表示矩阵的F范数，且 上界为h；I表示适当维数的单位矩阵。
[0147] 进一步，设计控制器u(t)如下：
[0148]
[0149] 其中 待设计参数 c1＞0,c2＞0表示控制器参数。
[0150] 这样，在控制器(14)作用下，并根据式(11)，可使跟踪误差系统(9)实现随机指数稳定。由于控制器u(t)中没有康复者质量信息，因此对于不同质量的训练者，康复步行机器人都能跟踪医生指定的训练轨迹。
[0151] 步骤3)基于MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给电机驱动模块，使康复步行机器人可帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹，其特征在于：以MSP430系列单片机为主控制器，主控制器的输入接电机测速模块、输出接电机驱动模块；电机驱动模块与直流电机相连；电源系统给各个电气设备供电。主控制器控制方法为读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号 Xd(t)和 计算得出误差信号。根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出电机的控制量，送给电机驱动模块，电机转动带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
[0152] 一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制系统，该系统包括随机微分方程构建模块、跟踪控制器获得模块和训练轨迹模块；
[0153] 随机微分方程构建模块根据康复步行机器人的动力学模型，将训练者质量m转化为随机变量，建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程；
[0154] 跟踪控制器获得模块基于随机微分方程构建模块的随机微分方程和随机Lyapunov(李雅普诺夫) 稳定理论，构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器；
[0155] 训练轨迹模块基于跟踪控制器获得模块中的跟踪控制器，利用MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给康复步行机器人的电机驱动模块，使康复步行机器人帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
[0156] 结论：
[0157] 本发明解决了不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的轨迹跟踪控制问题，基于康复步行训练机器人的动力学模型，建立了随机微分方程；提出了不同训练者质量随机变化的控制器设计方法，基于随机Lyapunov稳定理论，构建了轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件，并获得了可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器，有效抑制了训练者质量变化对系统跟踪性能的影响，提高了康复步行机器人的跟踪精度并保障了训练者的安全。
