康复步行训练机器人具有速度约束的鲁棒控制研究

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因高龄人口及下肢功能障碍患者逐年增多,仅靠药物帮助和手术治疗无法对患者进行全面的康复训练,所以康复步行训练机器人被国内外研究者广泛关注。康复机器人要求对医生的指定路径进行跟踪,帮助患者逐步恢复下肢功能。现有关于跟踪控制研究了许多算法,然而都忽略了不同患者康复训练时质量变化对机器人的影响,以及运动速度约束实现机器人安全运动的重要性。针对此问题,研究了康复步行训练机器人具有速度约束的鲁棒控制。主要工作包括:根据康复机器人结构特点,分析康复步行训练机器人运动学与动力学,考虑机器人位置与速度等运动特征,建立适用于康复者质量变化的运动学模型;考虑机器人的控制输入力、速度以及加速度,建立适用于康复者质量变化的动力学模型。考虑不同患者进行康复训练时质量会发生变化,提出一种非线性鲁棒控制算法。通过设计非线性鲁棒控制器来补偿系统时变的不确定部分,使系统具有良好的抗干扰能力。基于李雅普诺夫函数对系统进行稳定性证明,运用MATLAB进行对比仿真,分析仿真结果,验证所提出的鲁棒控制能提高系统的跟踪性能。进一步考虑机器人运动速度对康复者安全的影响,提出了一种鲁棒控制与预测控制相结合的算法,对康复步行训练机器人实际速度进行约束,根据预测控制得到系统最优控制增量,结合所设计的鲁棒控制器,确保即使速度被约束在指定范围,也能对路径精确跟踪。基于李雅普诺夫函数对系统进行稳定性证明,进行对比仿真,分析仿真结果,验证所提出的鲁棒预测控制可以限制康复机器人运行速度,并仍能对路径进行精确跟踪。
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