关键词:
迟滞建模
气动肌肉
自适应阻抗控制
柔顺控制器
层级柔顺
摘要:
由于老龄化加剧、运动受伤以及各种疾病等原因,我国肢体受损的人数逐年增加,而专业护理人员不足,医疗康复资源紧缺,康复机器人通过机器人辅助改善患者的运动能力,可解决此问题。在康复训练的中后期,患者具有一定的运动能力,然而传统的被动康复训练往往忽略了患者的主动运动能力,所以设计一种能充分激发患者主动运动能力的主动康复训练策略具有重要的研究意义。现有的康复机器人的驱动器大多是刚性的,存在柔顺性和安全性较低的问题,容易造成患者在康复过程的二次损伤,而气动肌肉作为一种新型的柔性驱动器,具有输出力/自重比大、柔顺性好、价格低等优势,适宜用于安全性和柔顺性要求极高的康复领域。但是气动肌肉具有非对称的迟滞特性和时变性等特性,这导致对其驱动的机器人的精确控制十分困难。针对上述问题,本文以气动肌肉驱动的三自由度脚踝康复机器人为研究对象,结合气动肌肉驱动器的迟滞模型,设计一种关节柔顺控制器,充分利用气动肌肉自身的柔顺性实现机器人关节空间的柔顺控制。同时,根据轨迹跟踪误差等信息,研究自适应阻抗控制。将以上两种控制方法相结合,研究一种层级柔顺控制策略。本文的主要研究内容如下:(1)考虑气动肌肉的强非线性、非对称迟滞特性对轨迹控制的影响,采用Hammerstein模型对其迟滞特性进行建模。为解决BP(Back Propagation,BP)神经网络单值映射的局限性,利用Modified Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型建立迟滞系统输入输出之间的映射关系,将迟滞系统的多值映射转变为单值映射,将神经网络成功应用于迟滞系统建模的研究中,并采用Levenberg-Marquardt(L-M)方法对模型中的参数进行识别。(2)在位置控制的基础上研究一种自适应阻抗控制方法,充分考虑患者的康复程度,实现个性化的轨迹规划。针对康复过程中无法迅速消除突加痉挛力的现象,提出一种基于高斯函数权值调整的自适应阻抗控制方法,统筹解决柔顺性以及位置跟踪问题。根据轨迹跟踪误差实时调整阻抗控制参数,得到符合患者康复状态的期望轨迹,并通过权值调整削弱突加痉挛力的作用。(3)针对康复训练中柔顺性和安全性低的问题,建立气动肌肉驱动器的三元素模型,同时考虑非对称迟滞特性对位置跟踪的影响,设计基于迟滞补偿的气动肌肉关节柔顺控制器。在此基础上,结合任务空间的自适应阻抗控制,设计一种层级柔顺控制策略,充分利用气动肌肉的柔顺性,保证机器人关节空间的柔顺性,并通过实时调整阻抗参数,在任务空间保证位置的高精度控制的同时确保康复训练的柔顺性与安全性。