(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 202210575698.4 (22)申请日 2022.05.24 (71)申请人 浙江工业大 学 地址 310014 浙江省杭州市拱 墅区潮王路 18号 (72)发明人 陈博　周袁　孙哲　石水萌　 李志鹏　 (74)专利代理 机构 杭州天正专利事务所有限公 司 33201 专利代理师 孙家丰 (51)Int.Cl. B25J 9/00(2006.01) B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 下肢外骨骼康复机器人步态轨迹跟踪控制 方法 (57)摘要 下肢外骨骼康复机器人步态轨迹跟踪控制 方法， 包括： 1)针对实际下肢外骨骼康复机器人， 基于拉格朗日法建立下肢外骨骼康复机器人动 力学模型， 并根据拉格朗日系统离散化准则对动 力学模型进行离散化处理； 2)基于离散动力学模 型， 根据期望的控制性能设计系统离散滑模面和 离散等效控制律； 3)根据步骤2中得到的离散滑 模面和离散等效控制律， 设计离散自适应滑模控 制律； 4)基于步骤3设计的控制律构造离散系统 控制器。 本发明针对多输入多输出、 非线性、 强耦 合的下肢外骨骼康复机器人步态轨迹跟踪控制 问题给出了保证控制性能的新型离散滑模控制 律的设计方法， 该方法具有较高的轨迹跟踪控制 精度以及较强的鲁棒 性能。 权利要求书6页 说明书7页 附图4页 CN 114851171 A 2022.08.05 CN 114851171 A 1.下肢外骨骼 康复机器人步态轨 迹跟踪控制方法， 包括如下步骤： S1.基于拉格朗日法建立下肢外骨骼康复机器人动力学模型， 并根据拉格朗日系统离 散化准则将动力学模型进行离 散化处理； S2.基于下肢外骨骼 康复机器人离 散化动力学模型设计滑模面； S3.基于下肢外骨骼 康复机器人离 散化动力学模型和滑模面设计等效控制律； S4.基于下肢外骨骼康复机器人离散化动力学模型和设计的等效控制律设计离散自适 应系统状态到 达控制律。 2.如权利要求1所述的下肢外骨骼康复机器人步态轨迹跟踪控制方法， 其特征在于： 步 骤S1具体包括： 1.1)为简化逆动力学模型的建立和控制器的设计， 将人体下肢在三维空间中的运动简 化为在矢状面上 的多刚体平面运动， 由于在康复运动过程中机械双腿在矢状面上对称， 因 此将外骨骼机械腿简化成单腿模型进 行分析； 在康复训练中踝关节的运动对整个人体运动 的影响很小， 因此在外骨骼机器人动力学模型中只考虑将髋关节和膝关节作为主动关节， 踝关节作为被动关节； 建立机械腿动力学模型 的二连杆模型， 以髋关节的旋转点为原点建 立坐标系； 设下肢外骨骼机械腿中的大腿杆的质量为m1， 长度为l1， 大腿质心到髋 关节的距 离为lc1， 小腿杆的质量为m2， 长度为l2， 小腿质心到膝关节的距离为lc2， θ1为外骨骼髋关节 偏离x轴的角度， θ2为膝关节偏离髋关节的角度， 为外骨骼关节角速度， 为外 骨骼关节角加速度； 设外骨骼系统中大腿杆和小腿杆的质心坐标为(xc1,yc1)， (xc2,yc2)， 得到质心坐标的表 达式为： 则系统的总动能为： 系统的总势能为： 得到下肢外骨骼机器人系统的拉格朗日系统函数为： 则外骨骼系统的拉格朗日动力学 方程为：权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114851171 A 2其中τ1表示髋关节处力矩输入量， τ2表示膝关节处力矩输入量； 将建立的系统动力学模 型整理成矩阵形式如下： 在此动力学模型 中， θ、 分别表示髋关节和膝关节的关节位置、 关节角速度和关节 角加速度的向量， τ表示关节的驱动力矩向量， M( θ )为对称正定惯性矩阵， 为哥氏力 和离心力系数矩阵， G( θ )为重力项矩阵， 各参数的具体形式如下： 1.2)外骨骼系统连续状态动力学模型是以拉格朗日法为基础进行动力学方程求解， 根 据拉格朗日系统的离散代换原则对下肢外骨骼动力学模型进 行离散化处理， 所采取的离散 化准则为： 权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114851171 A 3