上肢外骨骼機(jī)器人迭代學(xué)習(xí)控制研究

楊述

摘要：上肢外骨骼機(jī)器人是一種可穿戴式的運(yùn)動(dòng)輔助機(jī)器人，基于一款上肢外骨骼機(jī)器人展開了控制算法研究，首先簡(jiǎn)要描述了該上肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成，接著闡述了上肢外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，對(duì)迭代學(xué)習(xí)控制進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，并對(duì)使用迭代學(xué)習(xí)控制算法來控制該上肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了可行性分析，在此基礎(chǔ)上，提出使用PD迭代學(xué)習(xí)控制算法來對(duì)該機(jī)器人進(jìn)行控制，并利用MATLAB軟件搭建了上肢外骨骼機(jī)器人PD迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)模型，最后，對(duì)該控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制算法的有效性。

關(guān)鍵詞：上肢外骨骼?? 機(jī)器人?? 運(yùn)動(dòng)控制?? 迭代學(xué)習(xí)控制

Research on the Iterative Learning Control of Upper Limb Exoskeleton Robots

YANG Shu

（Changsha Socail Work College， Changsha， Hunan Province， 410004 China）

Abstract： An upper limb exoskeleton robot is a wearable motion-assisted robot， and this paper studies the control algorithm of an upper limb exoskeleton robot. First， this paper briefly describes the structural composition of the upper limb exoskeleton robot. Then it expounds the characteristics of the motion control system of the upper limb exoskeleton robot， briefly introduces iterative learning control， and carries out the feasibility analysis of using the iterative learning control algorithm to control the upper limb exoskeleton robot. Based on this， it? proposes to control the robot by the PD iterative learning control algorithm， and? builds a PD iterative learning control system model of the upper limb exoskeleton robot by using MATLAB software. Finally， it makes a simulation analysis of the control system， and the simulation results verify the effectiveness of the control algorithm.

Key Words： Upper limb exoskeleton; Robot; Motion control; Iterative learning control

1 控制對(duì)象

需要控制的對(duì)象為一款外骨骼上肢外骨骼機(jī)器人如圖1所示。該上肢外骨骼機(jī)器人采用外骨骼可穿戴式結(jié)構(gòu)，一共包含了5個(gè)自由度，如表1所示。

根據(jù)人機(jī)工程中規(guī)定的成年人上肢手臂長(zhǎng)度，初步設(shè)定上肢外骨骼機(jī)器人的整體尺寸如表2所示，其中肩寬為肩關(guān)節(jié)內(nèi)外收擺關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)關(guān)節(jié)的水平距離，肩高為肩關(guān)節(jié)內(nèi)外收擺關(guān)節(jié)到肩關(guān)節(jié)前后擺動(dòng)關(guān)節(jié)的垂直距離，前臂包括腕關(guān)節(jié)部分。

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)如表3所示。

2 迭代學(xué)習(xí)控制概述及可行性分析

研究迭代學(xué)習(xí)控制的動(dòng)機(jī)，來自可以從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)獲得知識(shí)的啟發(fā)。迭代學(xué)習(xí)控制的日標(biāo)是要設(shè)計(jì)一種具有某種“智能”的控制器，能夠在系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)候通過“學(xué)習(xí)”，不斷地完善自己，控制效果愈來愈好，通過這種方式來確定最優(yōu)的控制。換言之，當(dāng)某一項(xiàng)控制任務(wù)不斷重復(fù)的時(shí)候，可以把控制系統(tǒng)上一次的控制輸入、輸出和誤差等進(jìn)行分析，獲得額外的信息，這個(gè)信息對(duì)于控制器而言，就是“經(jīng)驗(yàn)”，利用這種經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，可以降低控制器對(duì)動(dòng)態(tài)過程模型的依賴，且為改進(jìn)跟蹤控制提供了可能?；谶@種通過學(xué)習(xí)訓(xùn)練自身的控制系統(tǒng)，就是迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。因此，迭代學(xué)習(xí)控制被控對(duì)象的一個(gè)關(guān)鍵特點(diǎn)就是可重復(fù)性。也就是說被控對(duì)象的向量函數(shù)對(duì)每一次被控過程來說都是不變的。通過重復(fù)，將上一次控制過程得到的經(jīng)驗(yàn)來求出一個(gè)更加理想的輸入，以使被控對(duì)象能夠按期望的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)。這個(gè)過程就是反復(fù)訓(xùn)練的過程。迭代學(xué)習(xí)控制原理如圖2所示。

由于迭代學(xué)習(xí)控制算法可以利用自身經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行自我學(xué)習(xí)，關(guān)于迭代學(xué)習(xí)控制算法的理論研究和應(yīng)用研究從未停止^[1-5]。

上肢外骨骼機(jī)器人是一種特殊的機(jī)器人系統(tǒng)，它的控制具有一定的挑戰(zhàn)性，這是因?yàn)橥夤趋朗降纳现珯C(jī)器人是一個(gè)具有強(qiáng)耦合和非線性特點(diǎn)的機(jī)器人系統(tǒng)，普通的控制算法很難達(dá)到對(duì)其軌跡的完全跟蹤。對(duì)于上肢機(jī)器人來說，其運(yùn)動(dòng)必須保證其準(zhǔn)確性，否則達(dá)不到運(yùn)動(dòng)輔助的效果，甚至可能會(huì)使患者的上肢受到二次傷害。因此，實(shí)現(xiàn)上肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡的準(zhǔn)確控制非常重要。

為了解決這個(gè)問題，研究者提出了許多控制策略。其中，迭代學(xué)習(xí)控制被廣泛應(yīng)用于肢體外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，目前已有部分關(guān)注這方面的研究^[6-7]。迭代學(xué)習(xí)控制是一種重復(fù)學(xué)習(xí)和調(diào)整控制器參數(shù)的控制方法，通過反復(fù)的迭代學(xué)習(xí)來達(dá)到對(duì)控制理想軌跡的準(zhǔn)確跟蹤。對(duì)于外骨骼機(jī)器人這種具有重復(fù)動(dòng)作的機(jī)器人系統(tǒng)，迭代學(xué)習(xí)控制算法具有良好的適用性。

總而言之，對(duì)于上肢外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，迭代學(xué)習(xí)控制算法是一種非常有效的方法。通過該方法，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)肢體外骨骼機(jī)器人的準(zhǔn)確控制，以滿足患者的運(yùn)動(dòng)輔助需求。

3 PD迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真

由于開環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制沒有使用當(dāng)前的輸出誤差，收斂速度明顯低于采用閉環(huán)的迭代學(xué)習(xí)控制，而且若被控對(duì)象本身不穩(wěn)地，開環(huán)將不能有效地消除整個(gè)系統(tǒng)的誤差，使系統(tǒng)穩(wěn)定。而閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制對(duì)誤差的消除效果明顯高于開環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制，且收斂速度較快，因此，我們的上肢外骨骼機(jī)器人將采用閉環(huán)的PD迭代學(xué)習(xí)算法。在MATLAB軟件Simulink模塊中建立起上肢外骨骼機(jī)器人的閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制仿真系統(tǒng)，如圖3所示 。

圖4所示為外骨骼上肢外骨骼機(jī)器人整個(gè)迭代學(xué)習(xí)過程中（20次），每個(gè)關(guān)節(jié)的迭代學(xué)習(xí)位置跟蹤曲線圖。其中關(guān)節(jié)1表示肩關(guān)節(jié)的內(nèi)收/外擺關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)2表示肩關(guān)節(jié)的前/后擺動(dòng)關(guān)節(jié)，而關(guān)節(jié)3則表示肘關(guān)節(jié)的屈伸關(guān)節(jié)。

圖5則為上肢外骨骼機(jī)器人第20次迭代學(xué)習(xí)完成時(shí)，其各個(gè)關(guān)節(jié)的位置跟蹤曲線圖，可見，在第20次迭代學(xué)習(xí)時(shí)，上肢外骨骼機(jī)器人的輸出基本上已出軌跡一致。

圖6表示整個(gè)迭代過程中，上肢外骨骼機(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)的位置跟蹤誤差范數(shù)的變化（范數(shù)即絕對(duì)值的最大值）。其中紅色的曲線表示關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)位置跟蹤誤差范數(shù)的變化，藍(lán)色的曲線表示關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)位置跟蹤誤差范數(shù)的變化，黃色的曲線則表示關(guān)節(jié)3關(guān)節(jié)位置跟蹤誤差范數(shù)的變化。由圖可見，各個(gè)關(guān)節(jié)從第1次迭代學(xué)習(xí)控制開始，位置跟蹤誤差就直線下降，大概經(jīng)過不到10余次的學(xué)習(xí)，位置跟蹤誤差基本都降為了零，從而通過迭代學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)位置的精準(zhǔn)跟蹤，為上肢外骨骼機(jī)器人的安全性從控制算法層面提供了一定的保障。因而PD迭代學(xué)習(xí)控制算法是一種非常適用于上肢外骨骼機(jī)器人的軌跡跟蹤控制算法。

4 結(jié)語

針對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人對(duì)安全性要求高以及上肢外骨骼運(yùn)動(dòng)具有重復(fù)性的特點(diǎn)，選擇迭代學(xué)習(xí)控制算法對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行控制。首先介紹了迭代學(xué)習(xí)控制的基本理論，其次采用PD閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行控制，在MATLAB軟件中建立控制仿真系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，PD型閉環(huán)迭代學(xué)習(xí)控制算法有效的實(shí)現(xiàn)了對(duì)上肢外骨骼機(jī)器人位置精準(zhǔn)控制這個(gè)目標(biāo)。

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