基于自抗扰控制的上肢康复机器人轨迹跟踪策略研究

作     者：李俊辰 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：安爱民;朱志亮

授予年度：2022年

学科分类：1002[医学-临床医学] 08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 100215[医学-康复医学与理疗学] 10[医学] 

主      题：上肢康复机器人 自抗扰控制 轨迹跟踪控制 滑模控制 阻抗控制 

摘      要：随着世界人口老龄化的加剧,神经系统疾病所造成的肢体缺陷愈发常见,使用康复机器人辅助患者进行运动神经系统的康复已经成为了一种有效的手段。康复机器人以神经可塑性原理为理论基础,通过提供在三维空间内大范围的支撑与重复的功能性训练,可以帮助因脑卒中、脑外伤等导致上肢功能障碍的患者重新学习已失去的上肢功能,促进神经与大脑的再连接。本文通过对人体上肢的结构的分析,设计了一种具有六自由度(Six Degree of Freedom,6-DOF)的外骨骼式上肢康复机器人,其主要功能是通过对康复医师所设定的三维空间路径进行跟踪来牵引患肢,训练患肢完成一系列空间运动,对上肢运动功能有障碍的患者实现康复性治疗。考虑上肢康复机器人动态系统的具有运动参数难以获取、外部扰动剧烈且不规则的特点,本文以自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)为控制理论基础,设计6-DOF上肢康复机器人在康复训练过程中的轨迹跟踪策略。自抗扰控制不依赖模型精确数据,以及对系统所受干扰的观测补偿机制与上肢康复机器人系统有良好的契合。在使用自抗扰控制完成对上肢康复机器人关节位置跟踪的基础上,提出了一种将滑模控制与自抗扰控制器结合的控制策略。结合了快速Terminal滑模控制(Fast Terminal Sliding Mode Control,FTSMC)和自抗扰控制的滑模自抗扰控制(Fast Terminal Sliding Mode-Active Disturbance Rejection Control,FTSM-ADRC)控制策略不仅保留了将系统不确定性和外部扰动视为集中扰动进行补偿的特点,而且能在滑模变结构的参与下快速收敛到有界区域,但这种单纯的快速跟踪能力在实际应用中的缺陷也非常明显。康复医疗装备的主要目的是在对患肢的牵引过程中重建肌肉与神经系统的适应性,部分情况下强迫患肢准确地沿轨迹运动反而会给僵硬的肢体带来伤害。通过在位置控制回路外添加基于末端力反馈的阻抗控制回路,以实现根据人机交互力调整康复机器人运行轨迹,体现出对患者主动意图的依从性,避免机器人系统对患者造成伤害。主要开展工作如下:1)首先介绍了上肢康复机器人技术的立足点及运作方式,介绍国内外的应用现状。总结归纳了当前易应用于康复机器人系统的经典控制方法及其与先进控制理念结合而涌现的智能控制方法。2)通过分析人体上肢结构及运动机理,利用Solid Works软件建立了一种贴合人体上肢结构,辅助肢体运动的6-DOF上肢康复机器人的结构模型,并通过仿真手段对其结构逻辑进行测试。总结当前常用的多种空间位姿表示方法,对其中DH法进行详细推导得到了系统的正/逆运动学方程,另外,为了实现对康复机器人的有效控制,采用拉格朗日法求解了上肢康复机器人的动力学方程。3)基于ADRC的上肢康复机器人轨迹跟踪策略研究。首先介绍了自抗扰控制的原理。考虑到上肢康复机器人在患者康复训练过程中会受到痉挛扰动影响,需兼顾关节位置控制与抗扰动性的问题,设计了一种基于ADRC的上肢康复机器人轨迹跟踪策略,并进行了详细的收敛性分析。为验证控制策略的有效性,通过Simulink仿真环境搭建了上肢康复机器人的可驱动多关节模型进行轨迹跟踪控制,MATLAB仿真实验结果表明,与传统的PID的算法相比,ADRC在上肢康复机器人轨迹跟踪过程中具有优异的控制效果,可以稳定的、快速的跟踪期望轨迹。4)基于滑模自抗扰控制的上肢康复机器人轨迹跟踪研究。考虑到自抗扰控制在对患者康复训练过程中所产生的痉挛扰动予以补偿,能够使患者按原定训练轨迹进行活动而不产生过大偏差。但是,在可接受的小范围偏离下对预设轨迹跟踪的快速性也是康复效果评价的重要指标。在对滑模控制理论的分析后设计了一种滑模自抗扰控制策略来改善康复机器人的控制性能。MATLAB仿真实验结果表明,该策略的收敛速度明显优于自抗扰控制,在稳态误差范围内,FTSM-ADRC方法具有较好的控制性能。5)基于末端力反馈的上肢康复机器人阻抗控制。通过分析患者在康复训练过程中出现的肢体僵硬现象,在原有位置控制的基础上添加基于末端力反馈的阻抗控制外环控制回路。首先通过计算患者和康复机器人之间在受限位置内的相对位移,通过环境阻抗下的位置-力关系计算其对应的阻力,以模拟患肢在因僵硬而无法跟踪预设轨迹时施加于机器人的末端反馈力。结合机器人的结构描述与机器人运动学相关知识,计算出符合患者需求的更新路径。MATLAB仿真实验表明,该控制算法可以保证上肢康复机器人在训练过程中通过区域划分的方法即既有保证跟踪精度,也可以通过顺从患者僵硬肢体的方式有效的保护患者的安全。