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全方向康复步行训练机器人的可靠控制方法研究

周晓舟  
【摘要】:在人口老龄化问题日益严重、肢体损伤和行走障碍的患者逐年增多的背景下,发展全方向康复步行训练机器人已成为迫切需要。然而步行器在实际使用过程中,某个执行电机不可避免的会发生安全失效,使步行器无法跟踪指定的路线,影响训练者的安全,因此需要解决步行器的安全可靠性问题。同时在实际应用中,系统的控制器由于受到执行器物理条件的限制,需要解决控制力约束的问题。 针对这些情况,基于冗余自由度思想,采用容错控制的方法,提出了一种控制力约束型可靠控制器。所设计的控制器能够在步行器某一个执行器发生安全失效时,实现步行器的稳定轨迹跟踪,保证训练者的安全,并使输入力符合执行器控制力的约束范围。对全方向康复步行训练机器人可靠控制方法的研究内容如下: 在考虑重心偏移的全方向康复步行训练机器人模型的基础上,通过构造Lyapunov函数推导出容错控制器的表达形式。当步行器某一个执行电机在运动过程中发生安全失效时,通过封锁故障执行器使系统的跟踪误差在全局坐标系下达到渐近稳定。仿真结果表明设计的容错控制器能够实现步行器的稳定跟踪。 为保证输入力符合实际要求,需要解决控制力约束的问题。基于双曲正切函数设计了控制力约束型控制器,并通过对比仿真验证了控制力约束的有效性。 考虑到执行器故障的多种形式,包括执行器卡死,执行器恒增益变化,执行器恒偏差失效,采用分离故障执行器的方法,得到了全方向康复步行训练机器人故障模型。通过构造Lyapunov函数推导出可靠控制器的表达形式,并由LMI证明了系统的渐近稳定性。仿真结果验证了在这些故障类型的条件下,步行器使用可靠控制器均可以实现轨迹跟踪。


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