基于安全性考虑的五自由度外骨骼式上肢康复机器人自适应控制-论文.pdf

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1、第9卷第7期中国科技论文Vo1．9No．72014年7月CHINASCIENCEPAPERJu1．2014基于安全性考虑的五自由度外骨骼式上肢康复机器人自适应控制康浩博，王建辉(东北大学信息科学与工程学院，沈阳110819)摘要：针对一类具有特殊安全性要求的五自由度外骨骼上肢康复机器人，研究了一种自适应控制策略。该机器人协助患者的肩、肘、腕关节进行关节运动，以达到上肢运动功能康复的目的，因此，在整个康复训练中如何保证患者安全是机器人控制策略的重点。为确保良好的跟踪性能，所提出的控制策略具有在模型不确定条件下的鲁棒性；为进一步提高系统在大参数变化

2、以及执行器故障时的安全性能，提出了一种在线更新的自适应控制器。该控制器仅需要进行位置测量实现输出信息反馈，而速度和加速度通过观测器估计得到，不需要依靠其他传感器信息。设计了一个参数可调和有界误差的轨迹跟踪实验，仿真结果验证了本控制方案的有效性。关键词：自适应控制；安全性要求；基于观测器的控制；机器人中图分类号：X712文献标志码：A文章编号：2095—2783(2014)07—0844—08Asafety-orientedadaptivecontrolof5-DOFupper-limbexoskeletonrehabilitationrobot

3、KangHaobo，WangJianhui(CollegeofInforvnationScienceandEngineering，NortheasternUniversity，Shenyang110819，China)Abstract：Anadaptivecontrolstrategyisstudiedfor5-DOFupper-limbexoskeletonrehabilitationrobotwithaspecialsafetycon—sideration．Thesafetyrequirementplaysacriticalroleofro

4、botcontrolstrategyduringtheclinicaltreatmentwhentherobotisusedtoassistpatientswithshoulder，elbowandwristjointmovements．Withtheobjectiveofassuringthetrackingperformanceontheprespecifiedoperations，theproposedadaptivecontrollerisfirstlydesignedtoberobustundertheconditionsofmode

5、luncertainties．Anon-lineupdatedadaptivecontrollerisproposedtofurtherimprovethesafetyandfault—toleranceinthepresenceoflargeparametervariancesorevenactuatorfaults．Thecontrolledcangeneratethefeedbackbasedonlocationmeasurementsfromanadaptiveobserverwithoutanyadditionalsensors．As

6、imulationisdesignedtotrackanoutputwithtunableandboundederror．Theexperimentverifiestheeffectivenessoftheproposedcontrolstrategy．Keywords：adaptivecontrol；safetyrequirement；observer-basedcontrol；robotics最近的临床报告表明，机器人辅助上肢康复治性控制中，大多数现有结果都以简化动力学模型为疗可以起到恢复患者肢体功能的作用l】]。电气装基础，而忽略质量／惯

7、性或离心力¨_7。。对实际生活置和机械手设备为患者提供了一个多次重复独立锻中的可靠性问题，传统的控制器设计方案缺少对模炼的机会，比传统的医师辅助治疗更实用_】]。一般型误差和未知的不确定性的考虑，并缺少处理参数情况下，机械手设备可用来辅助患者进行肢体运变化的自校正能力(例如不同患者上肢的质量不同，动[3_8l，如通过预先设定轨迹，实现主动或者被动移就是一个需要考虑的参数变化)。动患肢的目的。针对非线性和不确定性问题，非线性自适应控控制目标可通过多种控制技术实现，例如优化制策略Ell16在非线性动态系统(如机器人系统[17-19)控制l4]、机器

8、人鲁棒控制l5]以及其他线性方法(如控制中已被证明是有效的，所以自适应鲁棒控制对PIn)控制L6]。众多控制要求中，具有连续的高动态解决存在不确定性的