7、膝关节外骨骼控制与设计研究

膝关节外骨骼控制与设计研究

1. 膝关节外骨骼控制研究

在相关研究中，采用了5Hz的正弦轨迹作为参考速度轨迹，运用两种控制方法来控制外骨骼跟踪该参考速度。这两种控制方法分别是基于滑模干扰观测器（SMDO）的滑模控制（SMC）和基于非线性干扰观测器（NDO）的滑模控制。

通过对记录的角速度进行分析和比较，结果显示：
- 在有无外部干扰的情况下，基于SMDO的SMC和基于NDO的SMC都能稳定跟踪期望的速度轨迹，这体现了自适应SMC的稳定性。
- 对比跟踪误差可知，有外部干扰时跟踪误差会增大并出现抖动，但仍被限制在较小范围内。而且，无外部干扰时基于SMDO的SMC误差的均方根（RMS）较大，而有外部干扰时其RMS较小，这表明基于SMDO的SMC在存在未知干扰时控制性能更优。具体数据如下表所示：
| 控制方法 | 无外部干扰RMS | 有外部干扰RMS |
| ---- | ---- | ---- |
| 基于SMDO的SMC | 0.2672 | 0.2507 |
| 基于NDO的SMC | 0.1909 | 0.3070 |

在人工腿实验中，记录了膝关节和外骨骼的角度。结果表明，结合阻抗控制的SMC能够跟踪人工腿的运动，这意味着两种干扰观测器都能估计相互作用扭矩，且阻抗模型是合适的。同时，基于SMDO的SMC跟踪误差更小，说明其在未知干扰下的估计和控制性能更好。

在人体实验中，外骨骼能够稳定跟踪人体运动，跟踪误差有界，但误差的大小和RMS比人工腿实验稍大，这是因为人体腿部运动更快、运动范围更大。不过，这也表明所提出的基于SMDO的SMC控制器是适合用于拟人化设计的膝关节外骨骼的估计和控制的。