欠驱下肢液压助力外骨骼自适应鲁棒力控制研究

As an intelligent human-robot integrated device, wearable lower limb hydraulic exoskeleton for human performance augmentation can be used in soldier marching, rescue and relief work, and construction sites. As for the actuation mode, underactuated lower limb hydraulic exoskeleton can achieve lighter weight and lower energy consumption than fully actuated system. However, the uncontrollable internal dynamics, strong coupled high-order nonlinearity and model uncertainties, and gait switching bring tremendous difficulties to the control algorithm design for underactuated exoskeleton. This project aims at the theoretical and experimental research on the human-machine force controller design for underactuated lower limb hydraulic exoskeleton. Firstly, a dynamics modeling method based on a unified framework is proposed for multi-gait lower limb exoskeleton, which overcomes the complexity of independent modeling for each gait. Secondly, on the basis of stability analysis of the internal dynamics through theory and simulation, an integrated method of high performance force control is given to achieve good robust performance. Thirdly, considering the physical constraints of exoskeleton and taking into account the control input command under the new gait, a computationally efficient on-line trajectory planning is proposed so that the planned control input can satisfy those physical constraints and also converge to the desired control input as soon as possible. In the end, the above reliable control technologies for underactuated lower limb hydraulic exoskeleton are quite meaningful for the applications of heavy load transportation in the field.

可穿戴下肢液压助力外骨骼是一种能增强人体机能的智能人机一体化装置，可用于士兵行军，抢险救灾，建筑作业等场合。在驱动方式上，欠驱下肢液压助力外骨骼能实现比全驱外骨骼更轻的自重以及更低的能耗。然而不可控内动力学、强耦合高阶非线性及模型不确定性、步态切换等均给欠驱外骨骼的控制算法设计带来巨大困难。本项目针对欠驱下肢液压外骨骼的人机作用力控制器设计进行理论与实验研究。提出统一框架下的下肢外骨骼多步态动力学建模方法，克服每种步态独立建模的复杂及繁琐问题；基于理论和仿真手段分析系统内动力学的稳定性，在此基础上发展欠驱多关节液压外骨骼高性能力控制设计理论，保证系统拥有强的鲁棒性能；基于新步态下的控制输入命令，实现轨迹的在线优化，使其既能满足外骨骼系统的物理约束，又可以以最快的速度逼近理想的控制输入命令。最终，为欠驱下肢液压助力外骨骼高性能的完成野外负重任务提供坚实的控制技术保障。

欠驱下肢液压助力外骨骼能实现比全驱外骨骼更轻的自重以及更低的能耗。然而系统的不可控内动力学、强耦合高阶非线性及模型不确定性、步态切换等均给欠驱下肢液压外骨骼的控制算法设计带来巨大困难。本项目针对欠驱下肢液压外骨骼的人机作用力控制器设计进行理论与实验研究，以求在关键技术上有所突破和创新。为此，本项目开展了如下的研究工作：1）针对现有下肢助力外骨骼每种步态独立建模的繁琐及闭链情况下建模复杂的问题，提出以漂浮的下肢外骨骼为建模对象，根据漂浮下肢外骨骼广义动力学模型以及不同步态下脚部与地面之间的完整约束条件，建立了统一框架下的下肢外骨骼多步态动力学模型，简化了多步态下肢助力外骨骼动力学建模的复杂程度；2）针对多关节液压助力外骨骼系统中的不可控内动力学、强耦合高阶非线性及模型不确定性问题，提出了一种欠驱动液压支撑腿助力外骨骼的自适应鲁棒力控制方法。考虑穿戴者的控制作用，外骨骼背板的旋转角度被认为为某个理想的轨迹。基于上述穿戴者提供的完整约束条件，关节空间内的欠驱动液压支撑腿外骨骼动力学被转换为笛卡尔空间内的全驱动外骨骼动力学。然后提出了一种三层人机作用力控制器，最终实现了在主要负重方向上精确的人机作用力控制性能；3）针对欠驱下肢液压助力外骨骼在行走过程中出现的多步态问题，提出了多步态欠驱下肢液压助力外骨骼人机作用力控制策略，分别设计了单腿支撑步态和双腿支撑步态的多输入多输出自适应鲁棒力控制算法，实现了行走欠驱下肢液压外骨骼在主要负重方向上精确的人机作用力控制性能。本项目在欠驱下肢液压外骨骼动力学建模和人机作用力控制器设计等方面取得了较好的进展，为欠驱下肢液压助力外骨骼高性能的完成野外负重任务提供坚实的控制技术保障，进而为外骨骼机器人领域的发展做出了有效探索和借鉴。完成了项目预期的研究目标。