一种基于干扰观测器的主动型膝上假肢终端滑模控制方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106983589A(43)申请公布日2017.07.28(21)申请号201710223133.9(22)申请日2017.04.07(71)申请人河北工业大学地址300130天津市红桥区丁字沽光荣道8号河北工业大学东院330#(72)发明人张燕赵会民李雪菲李威郜鑫(74)专利代理机构天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)12210代理人李济群王瑞(51)Int.Cl.A61F2/70(2006.01)权利要求书4页说明书13页附图8页(54)发明名称一种基于干扰观测器的主动型膝上假肢终端滑模控制方法(57)摘要本发明公开了一种基于干扰观测器的主动型膝上假肢终端滑模控制方法。该方法离线采集患者的基本信息数据，生成数据报告；在不改变基本构造和相互作用方式的前提下，将人体下肢简化为二连杆模型进行分析，针对人体行走过程中摆动期和支撑期的运动形式的差异，得出支撑期和摆动期的下肢动力学模型；对下肢动力学模型设计干扰观测器和终端滑模控制器。该方法将滑模变结构控制理论引入到主动型膝上假肢的控制中，在保留了传统滑模控制的抗干扰能力和快速响应等优点的同时，削弱了控制量的抖振程度，使模型系统的跟踪误差能够在有限时间内收敛到零。该方法具有控制精度高、抗干扰能力强并且有较好时效性的优点。CN106983589ACN106983589A权利要求书1/4页1.一种基于干扰观测器的主动型膝上假肢终端滑模控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：第一步，离线采集患者的基本信息数据，生成数据报告；在患者膝关节、大腿、小腿、踝关节、脚趾和足跟六个部位左右侧各粘贴一个表面涂有反光物质的红外反光球；通过VICONMX三维步态分析系统中的MX红外拍摄头捕捉红外反光球的运动轨迹，将患者的身高、体重、腿长、骻宽度、膝关节宽度和踝关节宽度数据传输到PC主机的VICONMX三维步态分析系统软件中获取患者在不同路况条件下的膝关节角度信号和踝关节角度信号，并生成数据报告；第二步，建立人体下肢动力学模型；在人体正常行走时，根据行走过程中足部是否与地面接触，可将一个步态周期分为支撑期和摆动期；当人体下肢处于摆动期时，摆动期下肢动力学模型简化为二连杆模型，对于该二连杆模型，摆动期的动力学模型如下：其中，g1＝(mst1rst1+mst2lst1)gcos(qst1)+mst2rst2gcos(qst1+qst2)g2＝mst2rst2gcos(qst1+qst2)其中大腿部分和小腿部分长度分别以lst1、lst2表示，大腿部分和小腿部分质心位置分别以rst1、rst2表示，髋关节部分和膝关节部分的角位移分别以qst1、qst2表示，髋关节部分和膝关节部分的角速度分别以表示，髋关节部分和膝关节部分的角加速度分别以表示，大腿和小腿质量分别用mst1、mst2，髋关节和膝关节力矩分别以τst1、τst2表示；摆动期的控制主要在于膝关节的控制，由式(1)可以得到摆动期膝关节力矩为：将髋关节角度看做随时间变化的函数，对式(2)进行整理，可以得到摆动期的动力学模型如下：2CN106983589A权利要求书2/4页其中，qst＝qst2，Hst＝0，Tst＝τst2，当人体下肢处于支撑期时，支撑期下肢动力学模型简化为二连杆模型，对于该二连杆模型，其动力学模型与摆动期的形式相同，但是在支撑期需要考虑人体躯干的重力在膝关节处产生的力矩；由于踝关节主要起到支撑作用，不提供主动力，因此不对踝关节进行控制，由此可以得到支撑期膝关节力矩为：将踝关节角度看做随时间变化的函数，对式(4)进行整理，可以得到支撑期的动力学模型如下：其中，qsw＝qsw2，Hsw＝0，Tsw＝τsw2，Th＝-m3gcos(qsw1+qsw2)其中小腿部分和大腿部分长度分别以lsw1、lsw2表示，小腿部分和大腿部分质心位置分别以rsw1、rsw2表示，踝关节部分和膝关节部分的角位移分别以qsw1、qsw2表示，踝关节部分和膝关节部分的角速度分别以表示，踝关节部分和膝关节部分的角加速度分别以表示，小腿和大腿质量分别用msw1、msw2，踝关节和膝关节力矩分别以τsw1、τsw2表示，Th为人体躯干的重力在膝关节处的力矩，m3为人体躯干部分的质量；可以得出支撑期和摆动期的下肢动力学模型如式(6)，第三步，干扰观测器的设计；设动力学模型系统存在外界干扰d，令x1＝q，u＝T为膝关节的输入力矩，动力学模型系统如下：对动力学模型系统设计干扰观测器如下：3CN106983589A权利要求书3/4页其中是干扰观测器对x2的估计值，是对d的估计值，k1、k2是干扰观测器的系数，记下面分析干扰观测器对干扰观测的准确程度：设d为慢时变信号，因此的值很小，当k1取较大时，则有那么可