具有固定重力补偿的模糊免疫PD控制在气动人工肌肉驱动机械手位置控制中的应用

为了克服具有固定重力补偿的传统PD控制存在的不足,提高气动机械手位置控制的精度和控制系统的适应性和鲁棒性,借鉴生物免疫反馈响应过程的调节作用和模糊推理逻辑可逼近非线性函数的特性,将模糊控制算法和免疫反馈机理与具有固定重力补偿的传统PD控制算法相结合,提出了具有固定重力补偿的模糊免疫PD控制算法,并将它应用到气动人工肌肉驱动的机械手的固定点位置控制中.实验结果表明,该控制方法的控制性能优于常规的PD控制,具有一定的实际应用价值.     

下肢外骨骼液压控制系统仿真与性能试验

研究下肢外骨骼携行助力系统控制问题,利用液压阀控制机理,建立了液压位置控制回路,用PID与超前校正网络相结合的方法进行频域设计,通过对液压控制系统性能试验,对不同负载和不同油源压力以及不同运动模式下液压缸流量和压力进行仿真。仿真结果表明,组合控制方法能够对人正常行走时,膝关节角位移可满足人机协调运动要求。试验结果表明,下肢外骨骼携行助力系统采用阀控液压控制能够满足负载30kg低速平地行走、上下楼梯等动作要求。     

神经网络滑模控制下肢外骨骼机器人的轨迹跟踪

针对下肢外骨骼机器人行走稳定性与步态轨迹跟踪控制问题,对下肢外骨骼机器人三连杆模型进行动力学建模与轨迹仿真。通过拉格朗日法建立下肢外骨骼机器人的动力学模型,设计了神经网络自适应滑模控制算法。引入神经网络,对下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪系统的不确定项进行逼近,在控制器中采用了改进的趋近律,使用李雅普诺夫稳定性理论进行了稳定性分析,并通过MATLAB对改进后的控制算法进行了仿真验证。仿真结果表明,采用该算法对具有关节摩擦和外界环境干扰的下肢外骨骼机器人进行轨迹跟踪时,具有较好的跟踪效果;通过改进的趋近律,能削弱系统的抖振。相比于基于计算力矩法的滑模控制,该控制算法有更好的跟踪效果,能应用到下肢外骨骼机器人行走的稳定性和步态轨迹跟踪控制中。     

下肢外骨骼机器人变步长步态规划方法

为了解决下肢外骨骼机器人连续步态规划问题,基于倒立摆模型提出了一种步态规划算法,并针对传统倒立摆模型无法变步长连续行走的问题提出了新的改进方法。将外骨骼机器人分成支撑腿和摆动腿两部分,分别采用D-H法进行运动学分析;利用倒立摆模型和固定函数法,进行等效质心与摆动腿末端轨迹规划;在相邻单脚支撑期之间插入双脚支撑期,使下肢外骨骼机器人在不断改变步行时,利用双脚支撑期进行位置和速度的切换,实现实时步态规划;将规划算法在SIMULINK中实现,并与ADAMS模型进行联合仿真,下肢外骨骼机器人在仿真环境下行走稳定,证明了算法的有效性。     

基于柔性驱动关节的下肢外骨骼双模态切换控制

为了提高外骨骼关节柔性以及穿戴舒适性,设计了基于柔性驱动关节的可穿戴式下肢外骨骼,同时针对下肢外骨骼在控制的不同相位阶段其侧重点不同的特点,提出基于双模态切换的混合控制策略.首先,针对下肢外骨骼关节的柔性问题,设计了基于双平行弹簧的串联弹性体,并将其安装于外骨骼关节驱动模块,通过双编码器实现关节力矩和位置信息的反馈.然后,分析外骨骼在不同步态相位的运动特征,提出了双模态切换控制策略,即支撑相采用自适应阻抗控制算法来提高稳定性和抗冲击能力,摆动相采用自抗扰-终端滑模控制算法来提高响应速度和跟踪精度.最后,通过控制仿真和主被动跟踪实验,验证了本文算法相较于传统PID(比例-积分-微分)和自抗扰控制算法的优越性.被动跟踪实验结果说明当关节误差收敛范围在土5％时,收敛时间可达0.28 s;在主动跟踪实验中,实验人员穿戴外骨骼时髋关节和膝关节最大均方根误差分别为0.47°和1.28°,说明本文控制算法可以实时跟踪人体运动意图,满足人机交互柔顺性需求.     

基于BP神经网络补偿的下肢外骨骼位置控制

坐卧式康复外骨骼机器人可以帮助下肢功能障碍患者进行康复训练,为实现康复训练的位置控制目标,通过深入分析人机耦合关系,建立包括穿戴者、外骨骼在内的耦合运动学/动力学模型,提出了基于人机混合系统动力学模型的带前馈补偿项的PD控制算法,然而为了实现良好的运动轨迹跟踪性能,必须在位置控制算法中加入对不确定项的补偿,因此提出一种基于BP神经网络补偿的位置控制算法并通过仿真验证算法的高效性。     

快速二阶终端滑模控制及其在下肢外骨骼的应用

为了提高传统二阶终端滑模控制的全局收敛性,提出一种快速二阶终端滑模控制算法.设计一种二阶趋近律,将绝对值函数隐藏在积分项里,并增加线性项以提高全局收敛性.当系统状态未到达滑模面时,采用二阶趋近律,并通过调整参数避免奇异问题;当系统状态到达滑模面时,采用不含不连续符号项的指数趋近律,以保证控制误差有限时间收敛.采用Lyapunov直接法证明快速二阶终端滑模控制算法的稳定性,及其比super twisting算法具有更优良的收敛特性.以下肢外骨骼为研究对象,建立动力学模型.在考虑建模误差和外部干扰的情况下,将该算法应用于下肢外骨骼的姿态控制.仿真结果表明,所提出的控制算法能够有效抑制抖振,并且比super twisting算法具有更良好的跟踪性能,验证了该算法的有效性.     

复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼的运动控制

设计了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统,并研究了外骨骼关节精密运动控制问题.首先,介绍了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统.其次,建立了复式套索人工肌肉的传递模型,并基于拉格朗日法建立了下肢外骨骼动力学模型.然后,基于该动力学模型提出了一种滑模控制方法.进行了滑模控制与比例-微分(PD)控制外骨骼膝关节运动的对比实验,证明了该滑模控制算法具有更高的运动控制精度.最后,完成了下肢外骨骼的被动训练实验,其关节角度跟踪误差低于3.78?.     

基于ZMP下肢外骨骼机器人自平衡策略

随着社会老龄化的加剧，我国脑卒中的患者不断增多，这给我们国家和社会带来了极大的负担。文章推出了一款新型助力下肢外骨骼机器人，为这些患者的康复提供可行性方案。助力型下肢外骨骼的一个关键问题是行走过程中保持步态的稳定性，防止佩戴者摔倒。文章用滑模控制的方法提出了一种下肢外骨骼的控制策略，该策略可以减少外骨骼的干扰并且保持行走的稳定性。设计了步态稳定性的评价标准，然后设计了一种基于ZMP的控制策略。实验表明，该控制策略可以有效地减少下肢外骨骼的干扰，保持佩戴者的行走稳定性。     

下肢外骨骼机械结构的分析与设计

为了实现人的智能与机械的力量之间的结合,使人具备机械的力量、速度和耐力,正在设计用于实现负荷行走功能的下肢外骨骼.机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一.首先基于人体行走的生物学特征,阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法.然后利用零力矩点(ZMP)稳定性理论,分析了外骨骼的动态稳定性的特点.最后在ADAMS中建立了外骨骼的虚拟样机模型,对外骨骼行走模型进行了仿真,通过对比仿真结果,验证了模型ZMP处于稳定状态,从而说明利用ADAMS虚拟样机仿真的可行性.     

下肢骨骼服全过程运动控制研究

为了实现下肢骨骼服的全过程运动控制,提出了对下肢骨骼服进行分阶段控制的策略.根据人体运动数据将下肢骨骼服的运动划分为摆动阶段和支撑阶段;根据这2个阶段的特点,摆动阶段采用灵敏度放大控制方法,支撑阶段采用位置控制方法,利用脚底压力传感器信号实现两种状态下控制器的切换.分阶段控制策略既利用了灵敏度放大控制的优点,避免了在使...     

Hybrid Control Scheme of a Hydraulically Actuated Lower Extremity Exoskeleton for Load-Carrying

In this paper, a lower extremity exoskeleton is developed to help human beings walk and carry heavy loads. The exoskeleton is actuated by a pump-based hydraulic actuation system. The hydraulic actuation system has a high speed on/off valve and a unidirectional cylinder with embedded springs on the cylinder rod. The hybrid control scheme, including two modes, i.e., position control and following control, is proposed to drive the exoskeleton system. The position control mode is employed to support the carrying load in the stance phase. The following control mode is used to shut down the DC motor to disable the pump and open the relief valve in the swing phase. In the position control, an online Gaussian process regression algorithm is proposed to estimate the human gait trajectory using the human robot interaction signals. A general position control strategy, i.e., proportion integration differentiation (PID), is utilized to control the exoskeleton to shadow the estimated human gait trajectory. In the following control, the operator can lead the mechanical legs with the help of embedded springs on the cylinder rod. Experiments are performed on the healthy human subject, who walks on the level ground at natural speed. The experimental results demonstrate that the proposed hybrid control strategy is suitable for the pump-based hydraulically actuated lower extremity exoskeleton.     

基于X-Y定位平台的力/位置混合控制

在确定了X-Y定位平台系统数学模型的基础上,提出了一种力/位置混合控制方法。在位置控制部分,采用了基于重复控制补偿的PID控制方法。用重复控制作为误差补偿与传统简单的PID控制器相结合作为位置控制部分所采用的控制算法。在力控制回路中采用一种自适应模糊控制方法。通过引入一个切换函数来确定控制律形式,根据所设计的模糊规则对变量进行模糊化,通过解模糊得到控制律结果,自适应律是通过调制饱和度得到的。仿真结果表明,该控制方法能使系统的自适应能力和鲁棒性均有显著改善。     

基于模糊PID的悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计

针对悬吊式机械臂在工作过程中受起吊荷载的影响而产生的重心不稳现象,在模糊PID控制算法的支持下,进行悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计研究。硬件方面,改装主控制器、传感器和通信模块,加设重力补偿装置及驱动电机设备。在此基础上完成软件设计,根据机械臂的组成结构以及工作原理,构建悬吊式机械臂数学模型。在该模型下,检测悬吊式机械臂实时位姿,针对不同位姿建立相应的重力平衡方程。计算机械臂负载力矩,利用模糊PID算法求解机械臂重力补偿控制量,实现悬吊式机械臂重力补偿控制功能。实验结果表明：与传统重力补偿控制系统相比,优化设计系统的控制误差降低了0.056kN,机械臂的稳定系数提升了0.14,即优化设计系统可提高补偿控制效果,具有一定应用价值。     

PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation

This paper presents a PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation. The main idea is to use a fuzzy adaptive controller to compensate for the gravity term of the robotic manipulator. This controller is designed by using Lyapunov's stability theorem, which guarantees system stability. Simulation is implemented on a two‐link manipulator by using MATALAB and SIMULINK. The results show that this fuzzy adaptive controller makes the manipulator trajectory converge to a desired position. Compared with other proposed fuzzy adaptive manipulator controllers, the PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation is conceptually and structurally simpler and guarantees zero position error. ©2000 John Wiley & Sons, Inc.     

一种新的磁滞非线性前馈补偿算法

针对超磁致伸缩致动器磁滞非线性特征, 建立了描述其非线性行为的Preisach数学模型, 以F函数法求解了该模型的数值模型. 针对当前致动器非线性前馈补偿控制中迭代和执行效率低的缺点, 将磁滞非线性理解为系统干扰, 提出了一种新的非线性前馈补偿算法, 在求解Preisach逆模型过程中,引入稳态误差信号作为参考变量, 以Sigmoid函数变步长算法进行迭代步长自适应动态调整. 计算机仿真和实验研究均表明,与当前的磁滞模型求逆算法相比, 所提出的算法在保证控制精度的同时可以显著提高系统收敛速度, 大大提高了程序的执行效率.     

卫星天线展开臂的随动吊挂重力补偿系统设计

为了给卫星天线展开臂的展开特性测试提供真实的零重力地面仿真环境,设计了卫星天线随动吊挂重力补偿系统.首先设计了与卫星天线展开臂结构相同的3轴随动吊挂机械臂,对卫星天线展开臂进行位置跟随,并通过有限元方法分析其受载时的位置精度;然后根据导纳控制方法设计出随动机械臂的力跟随控制器,采用基于位置内环的PD （比例-微分）力控制策略设计出拉力系统对吊索拉力的控制算法;最后通过实验考核了随动吊挂机械臂各关节对在轨运行模式下的天线展开臂相应关节的位置跟随性能和重力平衡补偿.实验结果表明各轴位置跟随误差均不超过±0.03°,稳定运行时吊索张力控制偏差均小于1.2% F.S.（全量程）,在天线展开机械臂的展开过程中实现了较高精度的位置跟随和重力补偿,满足天线展开测试要求.     

模糊自适应PID算法在波浪补偿起重机中的应用

在波浪补偿控制中,由于波浪运动具有非线性、时变等特点,常规PID算法难以满足控制要求。为实现对波浪引起的两船相对运动的补偿控制,采用模糊自适应PID算法,运用模糊推理在线修正PID控制器的三个参数Kp、Ki、Kd。实际运行结果表明,该控制器具有较好的快速性和稳定性。