全方向步行康复训练器的鲁棒容错跟踪控制

针对全方向步行康复训练器应用时元器件发生不可预见的失效情况,提出了非线性鲁棒容错控制器的设计方法,研究了全方向步行康复训练器的鲁棒容错跟踪控制问题.通过在控制器中增加补偿矩阵,无论执行电机是否发生故障,全方向步行康复训练器均能够跟踪理疗师制定的训练路线.构造了能量存储函数和适当的评价信号,基于γ耗散不等式推导得出了鲁棒控制器,使系统的跟踪误差在全局坐标系下达到渐近稳定,且满足非线性L2增益性能指标.仿真结果表明,新的设计方法具有一定的可行性和有效性.

具有控制力约束的全方向步行器可靠跟踪控制

全方向步行器在实际使用过程中某个执行电机不可避免地会发生失效,从而影响训练者的安全,针对这一问题,研究了全方向步行器的可靠跟踪控制.基于冗余自由度思想,采用分离故障执行器的方法,利用无故障执行器实现康复者的安全跟踪训练.通过构造Lyapunov函数,保证了跟踪误差系统在全局坐标系下的渐近稳定性,结合双曲正切函数得到控制力约束型可靠控制器的表达形式.仿真结果表明,当某个执行器发生故障时,所设计的控制器能实现步行器的稳定运行,保障了康复者的安全.

全方向康复步行训练器的可靠轨迹跟踪控制

全方向康复步行训练器(Omnidirectional Rehabilitative Training Walker,简称步行器)在实际使用过程中,某个执行电机可能会发生安全失效,从而影响训练者的安全。针对这种问题,基于冗余自由度思想,采用封锁故障执行器的方法,解决了全方向康复步行训练器的可靠轨迹跟踪控制问题。此方法避免了常规容错控制方法估计故障的保守性,利用无故障执行器实现了康复者的安全跟踪训练。通过构造Lyapunov函数,保证了跟踪误差系统在全局坐标系下的渐近稳定性,并得到了可靠控制器的表达形式。仿真结果表明,当某一个执行器发生故障时,所设计的控制器能实现步行器的稳定运行,保障康复者的安全。

全方向康复步行训练机器人的跟踪控制

针对全方向康复步行训练机器人在跟踪运动过程中x轴、y轴和方向角各轨迹之间存在强耦合的问题,提出了速度跟踪控制器设计方法,从而使全方向康复步行训练机器人能同时实现各个方向理想的跟踪效果.在全方向康复步行训练机器人动力学模型和运动学模型的基础上,采用输入-输出线性化方法,通过模型解析推导出四轮转速与其驱动力间的解耦状态方程,设计速度跟踪控制器,实现速度的解耦控制.将速度控制器与非线性反馈控制律相结合,可以实现对运动轨迹的跟踪.仿真实验表明,本文方法具有一定的有效性,解决了传统跟踪过程中不能同时实现运动速度和运动轨迹跟踪的问题.

全方向康复步行训练机器人具有死区补偿的反步有限时间控制

为了解决死区影响全方向康复步行训练机器人系统的跟踪精度问题,提出了一种具有死区补偿的反步有限时间控制方法。考虑系统的未知死区,利用自适应方法估计死区宽度,获得死区信息并对其进行补偿,从而有效抑制了死区对系统跟踪性能的影响,避免了系统发生极限环振荡。为了防止机器人初始运动阶段产生较大的跟踪误差而影响康复者的安全,提出了反步有限时间控制方法,确保跟踪误差系统在有限时间内达到稳定。基于Lyapunov有限时间稳定理论,给出了误差系统的稳定条件及稳定时间。与速度和加速度同时约束的控制方法进行了仿真和实验对比,结果表明:所提的控制器设计方法可使系统的跟踪误差在大约8s后趋向于0,机器人在有限时间内实现了对指定轨迹的稳定跟踪,解决了速度和加速度同时约束的控制方法不能使机器人稳定地跟踪训练轨迹、无法解决系统死区的问题;所提的有限时间控制方法能使系统误差快速收敛,有效解决了死区对系统性能的影响,提高了机器人的跟踪精度和安全性。

速度受限的全方向康复步行训练机器人Backstepping补偿跟踪控制

全方向康复步行训练机器人需要跟踪医生指定的训练轨迹、针对运动过程中速度过快而影响康复者安全性问题,提出一种基于Backstepping补偿方法的速度受限型控制器设计方案,目的是保证康复者的安全训练.通过限制实际运动速度的幅值,并根据所提出轨迹跟踪误差和速度跟踪误差的实时补偿方法,实现了全方向康复步行训练机器人在安全速度下的轨迹跟踪.基于李亚普诺夫稳定性理论和La Salle不变性原理,证明了补偿误差系统和跟踪误差系统的渐近稳定性.通过仿真结果对比分析,表明了所提控制器设计方法的有效性和可行性.

基于AHRS反馈的仿人机器人步行稳定控制

以实现仿人机器人步行稳定控制为目的,为克服零力矩点(ZMP)反馈控制算法不能补偿较大冲击干扰以及反射响应方法打断当前步行任务的缺点,以低成本微机电系统(MEMS)传感器及方向余弦矩阵描述的补偿算法构成航姿参考系统。提出了由姿态转角和角速度的线性组合表达的步行稳定性判据,并实现了躯干姿态校正的比例—微分控制器。基于仿人机器人全方位步态规划方法,调整下一步步幅和步频为行为方式,实现了步行稳定控制。样机实验结果表明:在原地踏步和稳定前进等情况下,机器人受到冲击干扰以致倾斜角度达20°时,仍能够不打断全方位步行且有效避免倾覆。