(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210409154.0 (22)申请日 2022.04.19 (71)申请人 湖北工业大 学 地址 430068 湖北省武汉市洪山区南李路 28号 (72)发明人 唐靓　曹嘉迅　武明虎　张凡　 (74)专利代理 机构 武汉科皓知识产权代理事务 所(特殊普通 合伙) 42222 专利代理师 龚雅静 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 9/00(2006.01) B25J 17/02(2006.01) (54)发明名称 一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系 统协同随动控制方法 (57)摘要 本发明公开一种基于自抗扰控制策略的上 肢外骨骼系统协同随动控制方法， 包括步骤S1、 在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传 感器， 检测操作者对多维力传感器的人机相互作 用力， 构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型； 步 骤S2、 通过阻抗控制模 型获取操作手末端的期望 位置， 由得到的期望位置计算出上肢外骨骼系统 中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节 角度； 步骤S3、 通过自抗扰控制器估计上肢外骨 骼系统的状态和干扰， 将估计的干扰作为上肢外 骨骼系统的负反馈， 并将干扰消除， 能够估计出 上肢外骨骼系统模型中耦合项和各种不确定因 素引起的总扰动并加以补偿， 针对 上肢外骨骼系 统中不确定因素 具有较强鲁棒 性。 权利要求书4页 说明书10页 附图3页 CN 114654470 A 2022.06.24 CN 114654470 A 1.一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法， 其特 征在于， 包括： 步骤S1、 在上肢外骨骼系统的人机交互点安装多维力传感器， 检测操作者对多维力传 感器的人机相互作用力， 构成上肢外骨骼系统的阻抗控制模型； 步骤S2、 通过阻抗控制模型获取操作手末端的期望位置， 由得到的期望位置计算出上 肢外骨骼系统中肩关节的期望关节角度和肘关节的期望关节角度； 步骤S3、 通过自抗扰控制器估计上肢外骨骼系统的状态和干扰， 将估计的干扰作为上 肢外骨骼系统的负反馈， 通过自抗扰控制器将干扰消除。 2.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方 法， 其特征在于： 所述步骤S1中， 将上肢外骨骼系统与人的相互作用力表示为惯性、 阻尼与 刚度的线性组合： 其中， Fhm为多维力传感器检测到的人机相互作用力， e是上肢外骨骼系统的期望位置和 上肢外骨骼系统实际位置之间的差值， M为惯性系数， B为阻尼系数， K为刚度系数； 对阻抗控制模型建模， 考虑上肢外骨骼系统中人机接口的柔性特征， 采用弹簧模型进 行阻抗控制模型建模， 人机 接口动力学表达式如下： Fhm＝K(ph‑pm) 其中， K为刚度系数， ph为操作者手部的位置， 即上肢外骨骼系统期望位置， pm为上肢外 骨骼系统的末端位置， Fhm为多维力传感器 检测到的人机相互作用力。 3.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方 法， 其特征在于： 所述步骤S2中， 上肢外骨骼系统包括第一机械臂、 第二机械臂、 肩关节、 肘 关节和握把， 第一机械臂一端与肩关节固定， 另一端与和肘关节可转动的连接， 第二机械臂 一端与肘关节固定， 另一端与握把固定， 人机交互点设在握把上， 操作者手部握住握把， 通 过上肢外骨骼系统的运动学方程建立上肢外骨骼系统期望位置与肩关节角度和肘关节角 度的关系： ph＝[lssin(qds)+lesin(qds+qde),‑lscos(qds)‑lecos(qds+qde),0]T 其中， ph为操作者手部的位置， 即上肢外骨骼系统期望位置， qds为肩关节的期望关节角 度， qde为肘关节的期望关节角度， ls为第一机 械臂的长度， le为第二机 械臂的长度。 4.根据权利要求1所述的一种基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方 法， 其特征在于： 所述自抗扰控制器包括跟踪微分器、 扩张状态观测 器、 线性状态误差补偿 和扰动补偿， 获取操作者对多维力传感器的人机相互作用力， 通过多维力传感器得到给定 输入信号， 通过跟踪微分器对给定输入信号的微分进行提取， 确定适合上肢外骨骼系统中 给定输入信号的过渡过程， 使得上肢外骨骼系统跟踪过渡过程对应的输出信号； 所述扩张 状态观测器将上肢外骨骼系统的自身不确定性、 外部及环境因素 的干扰， 转化成含有未知 扰动的积分串联环节， 将估计的干扰作为上肢外骨骼系统的负反馈， 通过线性状态误差补 偿和扰动补偿进行实时补充， 消除干扰。 5.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法， 其特征在于： 通过跟踪过渡过程对应的输出信号， 在噪声较大的情况下， 将给定输入信号v 输入到跟踪微分器， 得到平 滑的输入信号：权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114654470 A 2其中， v1， v2是输入信号的跟踪信号； k1， k2为跟踪信号系数。 6.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法， 其特征在于： 在步骤S3中， 上肢外骨骼系统设有二阶系统： 其中， x1、 x2是上肢外骨骼系统的状态变量， y是上肢外骨骼系统的输出， u为上肢外骨骼 系统的控制量， f(t)表示上肢外骨骼系统的不确定因素， b为控制量系数； 针对上肢外骨骼系统设计二阶线性的扩张状态 观测器的形式如下； 其中， z1， z2是上肢外骨骼系统内部状态变量的实时估计值， z3是上肢外骨骼系统不确 定因素的实时估计值， 参数β1、 β2、 β3是扩张状态观测器的系数， 起到误差校正作用， b0为控 制量系数。 7.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法， 其特征在于： 采用误差反馈线性组合方式也能取得良好的控制效果， 为了避免对给定输入 信号进行微分且使闭环传递函数成为不包括零点的二阶传递函数， 状态误差反馈律可采用 PD参数形式： 其中， e＝v1‑z1为扩张状态观测器的观测误差， kp、 kd是控制器增益， 自抗扰控制是通过 扩张状态 观测器的观测量对 控制信号进行扰动补偿， 控制表达式为： 其中， b0为控制量系数， u0上肢外骨骼系统的初值， u为上肢外骨骼系统的控制量， z3是 上肢外骨骼系统不确定因素的实时估计值。 8.根据权利要求4所述的基于自抗扰控制策略的上肢外骨骼系统协同随动控制方法， 其特征在于： 还包括驱动系统控制器， 所述驱动系统控制器采用PID控制方法对驱动系统进 行控制， 驱动系统为驱动上肢外骨骼系统运动的系统， 在PID控制方法中， 设置比例单元P、 积分单元I和微分单元D， 并设置Kp、 Ki和Kd实现上肢外骨骼系统的实际位置与上肢外骨骼系 统的期望位置一 致， 通过PID控制方法获取输出驱动系统的电流： 其中， U为输出到驱动系统的电流， e是上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统 实际位置之间的差值， t为时间， Kp、 Ki、 Kd分别是比例单 元、 积分单 元和微分单 元的增益； 上肢外骨骼系统的期望位置和上肢外骨骼系统实际位置之间的差值的计算公式为： e(t)＝q(t) ‑qd(t)权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114654470 A 3