9、刚性与柔性外骨骼的性能对比与控制策略分析

刚性与柔性外骨骼的性能对比与控制策略分析

1. 控制器原理与设计

在机器人控制中，KP、KI 和 KD 常数对相互作用力与电机速度之间的关系特性起着关键作用。一个低级的 PI 速度环用于跟踪电机轴上的期望速度。为了提高控制器对用户运动的敏感度，并补偿电缆传动的动态摩擦，在期望速度上添加了正反馈项。这一策略常用于补偿粘滑摩擦现象，能使外骨骼套装更具透明性。最终的期望速度公式如下：
[
\omega_d = K_P (\tau_g - \tau_{exo}) + \frac{K_I}{s} (\tau_g - \tau_{exo}) + K_D s (\tau_g - \tau_{exo}) + k_s \theta
]

2. 实验设置

为评估两种控制器的性能，进行了扭矩跟踪任务的精度测量实验，旨在测试设备在最终应用中的表现。

2.1 直接扭矩控制（刚性外骨骼）评估

• 透明度测试 ：该测试涉及 Rehab - Exos 的 4 个关节，用于测试其扭矩跟踪行为。用户需穿戴外骨骼以恒定速度完成圆周运动，圆周中心位于工作空间中间，直径为 300 毫米。用户通过手臂上端传递肩部运动，手部握住外骨骼末端执行器的 6 - DOF 力/扭矩传感器来交换肘部运动。透明度指标采用用户施加的测量末端执行器法向力 (F_h^*) 和观测器估计的关节扭矩。
• 控制增益设置 ：控制增益 (K_{\tau Ds})、(K_{\tau l})、(K_{\tau d}) 和 (K_{\dot{\theta}}) 使用模型参数设置，