5、外骨骼机器人控制与设计：从理论到实践

外骨骼机器人控制与设计：从理论到实践

1. 滑动面有限时间收敛与控制方案

滑动面的有限时间收敛可通过以下方程获得：
$Ts = 2\frac{\alpha_1^{1/2}}{\max{R}}\frac{\alpha_1^{1/2}}{\min{\Omega}}V^{1/2}(\gamma(0))$

控制方案的结构如图所示，其主要用于外骨骼机器人的康复控制。

2. 主动辅助运动

2.1 期望轨迹定义

在主动康复模式下，期望轨迹由外骨骼穿戴者定义。借助安装在机器人末端的力传感器，可将用户的施力转化为其动态运动意图（DMI）。此时，期望轨迹更新为：
$z_d = z_1 + \Delta z_d$
其中，$\Delta z_d \in R^7$ 是用户的 DMI。若 $\Delta z_d \to 0$，意味着穿戴者停止对力传感器施力，外骨骼运动将减弱；当 $z_d = z_1$ 时，外骨骼停留在最近位置。

2.2 DMI 估计

为从用户力估计 DMI，可使用方程：
$F_m = J(z_1)\Delta z_d$
其中，$F_m \in R^7$ 是测量的用户力，$J(z_1) \in R^{6\times7}$ 是外骨骼机器人的雅可比矩阵。为求解该方程，采用阻尼最小二乘法（DLS）或 Levenberg - Marquardt 稳定化方法。具体步骤如下：
1. 避免逆运动学解的奇异性，确定使以下量最小的 $\Delta z_d$ 值：
$\min_{\Delta z_d} \left\lVert J(z_1)\Delta