可穿戴五自由度上肢外骨骼机器人固定时间控制

针对可穿戴上肢外骨骼系统在外部干扰及参数不确定条件下的轨迹跟踪问题,提出了一种基于观测器的固定时间控制策略.首先,采用拉格朗日方法对五自由度上肢外骨骼系统的动力学模型进行面向控制处理.其次,考虑模型中存在参数不确定及外部干扰,基于改进超螺旋算法设计了固定时间干扰观测器,实现对系统干扰的实时估计,完成对控制器的在线补偿;在此基础上,设计了非奇异终端滑模固定时间控制律,保证外骨骼关节角度跟踪误差在固定时间内收敛至原点.再次,基于Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性.最后,通过对比和数值仿真结果证明所提出控制策略的有效性.     

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。     

基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法

设计了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法.在机器人与人体上肢接触面安装力传感器采集人机交互力矩信息作为量化的主动运动意图,设计了一种无模型自适应滤波算法使交互力矩变得平滑而连贯;以人机交互力矩为输入,综合考虑机器人末端点与参考轨迹的相对位置和补偿力的信息,设计了人机交互阻抗控制器,用于调节各关节的给定目标速度;设计了将无模型自适应与离散滑模趋近律相结合的速度控制器完成机器人各关节对目标速度的跟踪.仿真结果表明,该控制方法可以实现外骨骼式上肢康复机器人辅助患者完成主动交互训练的功能.通过调节人机交互阻抗控制器的相应参数,机器人可以按照患者的运动意图完成不同的主动交互训练任务,并在运动出现偏差时予以矫正.控制器在设计实现过程中不要求复杂准确的动力学建模和参数识别,并有一定的抗干扰性和通用性.     

航天器姿态跟踪系统的自适应滑模控制

针对存在不确定惯量矩阵和外干扰的刚体航天器姿态跟踪系统,提出了一种自适应滑模控制方法。首先建立了姿态跟踪误差动力学方程,并对刚体航天器跟踪误差动力学定义了滑模,设计了自适应滑模控制律,该控制律的优点在于可以估计系统不确定块,消除了传统滑模控制中对不确定界的要求。Lyapunov分析表明了提出的自适应滑模控制器确保闭环系统取得渐近稳定性。仿真结果验证了提出的控制策略的有效性。     

多关节机械臂轨迹跟踪自适应神经网络滑模控制

针对不确定干扰和建模误差对多关节机械臂轨迹跟踪控制系统造成的不良影响,对基于滑模控制的自适应神经网络滑模控制算法进行了研究。通过神经网络,对多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的不确定干扰和建模误差进行逼近。添加自适应项,补偿神经网络滑模控制中神经网络模型对系统中的不确定干扰和建模误差的逼近误差。设计了具有指数趋近律的滑模面,以提升多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的鲁棒性和响应速度。使用李雅普诺夫稳定性理论,证明了多关节机械臂轨迹跟踪控制系统的半全局稳定性,并通过MATLAB对理论结果进行了仿真验证。仿真结果表明,对具有不确定干扰和建模误差的多关节机械臂轨迹跟踪控制系统,采用该算法进行轨迹跟踪时,具有较好的稳定性与鲁棒性。该控制算法能合理应用到此类轨迹跟踪控制系统中。     

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?.     

基于模糊补偿的康复机器人的自适应滑模控制研究

针对下肢外骨骼机器人不确定模型及摩擦因素的轨迹运动控制问题,提出了一种基于模糊补偿的自适应滑模控制(FCASMC)方法。首先利用滑模控制思想设计非线性滑模面,设计滑模控制器实现系统的稳定性;接着采用模糊控制方法对其机器人中关节运动存在的未知摩擦项进行模糊补偿与逼近,减少未知摩擦项和外扰动等因素下对系统带来的稳定性影响;最后还采用了鲁棒项来消除补偿逼近误差所带来的影响,也可减少滑模方法所带来的抖振问题,从而使整个系统的稳定性进一步提高。最后,基于Lyapunov定理对所设计的控制器进行稳定性证明和仿真。仿真结果表明,设计的控制器可以很好地对不确定摩擦项进行补偿,机器人的关节运动轨迹跟踪能实现全局跟踪,提高了在今后实际工程中的应用研究价值。     

基于支持向量机的外骨骼机器人灵敏度放大控制

为了准确控制外骨骼机器人跟随人体运动,需要建立其动态、精确的数学模型;人体下肢外骨骼是一个多自由度、强耦合以及非线性的多连杆系统,难以建立准确的运动学和动力学模型;文章使用三维运动捕捉与空间定位系统,获取实际人体运动参数(运动学与动力学),应用支持向量机(SVM)学习人体下肢外骨骼的数学模型;基于该模型构造基于支持向量机模型的灵敏度放大控制方法;文章使用MATLAB和LIBSVM建立外骨骼下肢机器人的数学模型,并进行仿真分析;仿真结果表明基于SVM的模型学习方法,能够准确计算出人体下肢外骨骼的动力学模型,并简化建模过程;基于SVM的灵敏度放大控制,能够有效计算出人体下肢外骨骼各关节(髋关节、膝关节、踝关节)的输出力矩,并控制外骨骼机器人跟随人体运动。     

基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼上楼梯滑模控制

针对下肢外骨骼在轨迹跟踪时对内部参数扰动和外界干扰较为敏感的特性,设计一种基于非线性干扰观测器的下肢外骨骼机器人滑模控制策略。首先建立下肢外骨骼上楼梯的动力学模型,分析其动力学特性;其次设计非线性干扰观测器,对下肢系统的不确定性和外部干扰进行观测;在此基础上,为保证系统轨迹跟踪误差的收敛性和减弱抖振,设计了低通滤波的滑模控制器,根据李雅普诺夫稳定性理论证明了下肢系统的稳定性;最后通过仿真与实验验证,该控制策略能够有效克服多种因素引起的干扰,改善系统的控制性能,提高系统的稳定性。     

面向人机交互的下肢外骨骼自适应轨迹跟踪

在可穿戴下肢外骨骼助力系统的轨迹跟踪控制研究中,针对系统存在人机交互力耦合,建立了人机耦合高阶动力学模型,提出了一种单自由度下肢外骨骼系统的人机协同控制策略.考虑系统存在的模型误差和外界干扰,采用了干扰观测器对系统总扰动进行动态观测和实时补偿;针对模型参数因人而异且难以准确获取的问题,设计了自适应反步滑模控制器;根据Lyapunov稳定性分析,证明了闭环系统渐进稳定.仿真结果表明系统能够快速准确地跟踪期望轨迹且具有较强的鲁棒性,验证了自适应反步滑模控制器的有效性.     

考虑柔性关节的机械臂自适应运动控制策略研究

具有柔性关节的轻型机械臂因其自重轻、响应迅速、操作灵活等优点,取得了广泛应用;针对具有柔性关节的机械臂系统的关节空间轨迹跟踪控制系统动力学参数不精确的问题,提出一种结合滑模变结构设计的自适应控制器算法;通过自适应控制的思想对系统动力学参数进行在线辨识,并采用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明,该控制策略保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪,具有良好的跟踪精度,系统具有稳定性。     

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.     

下肢负荷外骨骼的变负载控制研究

下肢负荷外骨骼需要在变负载情况下实现助力的功能,外骨骼应能准确地跟踪人体的期望运动轨迹。为此,基于系统的动力学模型,提出了鲁棒自适应PD控制方法。该方法将系统外界的干扰、关节摩擦和噪声统一为上确界已知的干扰项,在控制器设计时引入中间变量,计算出以关节变量为参数的回归矩阵和一个描述外骨骼质量特性的未知定常参数向量,利用回归矩阵和引入的中间变量设计自适应律。仿真结果表明,外骨骼能够准确跟踪上期望的运动轨迹,系统的鲁棒性得到改善,实现了系统变负载控制的目的。     

六自由度上肢康复机器人结构设计与仿真

针对现有康复机器人功能单一以及柔顺性不佳的问题,通过分析人体上肢运动中的形态特点,设计了一种六自由度上肢康复机器人结构。该结构能帮助患者完成三个关节的康复运动;同时,肩关节三个自由度轴线交于一点,与人体上肢肩关节轴线相匹配。采用Denavit-Hartenberg (D-H)法,建立了各关节坐标系并推导出运动学方程,并通过计算验证了运动学方程的正确性;然后,运用蒙特卡洛法,计算出上肢康复机器人末端运动空间云图,确定末端空间范围在人体手臂末端运动范围内;最后,利用Adams建立上肢康复机器人虚拟模型,对所建模型进行轨迹仿真。仿真试验验证了上肢康复机器人设计的合理性以及数学模型的正确性,为后续上肢康复机器人的动力学分析奠定了基础。     

变速风力发电机组的自适应滑模变桨距控制

在风力发电系统稳定性优化控制的研究中,针对不确定性的变速风力发电机组的变桨距控制方式系统稳定性差的问题,提出了一种自适应全局快速Terminal滑模控制方法.建立变桨距风力发电机组动力学模型,针对模型中的未知环节,设计了自适应模糊逼近系统.采用由Terminal滑动模态和线性滑动模态组成的滑模模态,采用了自适应Terminal滑模变桨距控制器.根据Lyapunov稳定性理论证明了系统稳定性,并给出了具体的自适应律和不确定项边界的估计算法.对自然风下的机组变桨距控制情况进行了仿真,结果表明系统稳定且输出功率平稳.     

一种上肢外骨骼运动学分析与奇异性消除方法

为合理确定上肢外骨骼机械臂的物理参数,评估其运动性能,提出一种人体上肢运动空间的准确建模方法,并针对人体上肢自身的生理特点,给出自运动流形的优化求解以及外骨骼上肢机构奇异性消除方法.首先,通过分析人体上肢解剖结构,建立胸锁骨关节、盂肱关节以及肘关节等角度与末端位置的等效运动学模型,进而准确模拟上肢运动范围内的可达空间.其次,依据上肢冗余自由度导致的自运动特点,以上肢负载能力最大为约束条件,求解运动流形中的最佳姿态.最后,根据所建模型分析上肢的奇异姿态,给出可避免奇异性的外骨骼系统结构配置,从机构设计上避免上肢外骨骼系统运动控制过程奇异性的发生.     

无刷直流电机的自适应模糊滑模控制策略研究

为了提高无刷直流电机（BLDCM,brushless dC motor）控制系统的动态响应速度和干扰抑制能力,提出了一种新的自适应模糊滑模控制（AFSMC,adaptive fuzzy sliding mode control）策略。控制系统根据滑模开关函数的取值范围,可以切换滑模控制器的输出,能够改进滑模观测器的抖振现象和系统稳定性。控制器的控制律由自适应模糊控制算法调节,滑模控制器的输出减少了系统不确定时延的影响。根据所提出控制策略建立了仿真模型,并进行了仿真。仿真结果表明,所提出的控制策略能提高系统的动态性能和鲁棒性。该方法用于无刷直流电机的控制是可行的、有效的。     

油浸式变压器内部检测球形机器人的深度悬停控制研究

为实现设计的油浸式变压器内部检测机器人在实际作业过程中能针对深度方向某具体点进行观测,对机器人的深度悬停控制进行研究.通过对机器人控制策略的分析,根据水下机器人动力学理论,建立机器人在变压器油特殊介质的动力学模型.基于鲁棒反演控制方法及滑模自适应控制理论,提出一种鲁棒反演滑模控制方法,采用模糊控制器设计滑模面切换增益,以削弱不确定干扰带来的系统抖振,并通过Lyapunov理论分析证明控制器稳定性.解决了机器人在变压器油中因耦合、外界扰动等造成的深度悬停定点过程自旋及抖动问题,仿真及实验表明了所提出控制器的有效性.     

线性电机伺服系统的自适应鲁棒控制

通过对一类音圈电机直驱式精密伺服系统运动控制问题的研究,在只考虑系统标称模型的情况下,采用分数阶形式的趋近律,得到了一种有限时间滑模控制算法;与此同时,当系统存在参数不确定和外界干扰的情况下,将有限时间滑模控制方法和自适应控制理论相结合,构造了一种自适应滑模控制律.另一方面,本文还考虑了系统具有输入饱和约束的情况,通过引入一个辅助系统,进而设计了一种自适应抗饱和控制律.而且,文中对闭环系统的稳定性进行了证明.最后,仿真和实验对所提出控制策略的有效性和伺服精度进行了对比、分析和验证.     

互联网中的模糊滑模拥塞控制策略

针对互联网中的拥塞控制问题, 基于滑模控制理论及T-S（Takagi-Sugeno）模糊模型,提出了一种模糊滑模拥塞控制策略。考虑到互联网中存在的不确定和时变时滞因素,采用T-S模糊模型对网络系统进行了建模。利用线性矩阵不等式设计了一个渐近稳定的滑模面,有效地补偿了不确定及时滞因素的影响。基于趋近律的方法设计了控制器,有效地抑制了路由器中队列长度的振荡。多种情况下的仿真对比表明,所提出的控制策略具有更好的稳定性和鲁棒性。