1.一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法,其特征在于:该方法步骤如下:
1)、根据康复步行机器人的动力学模型,将训练者质量m转化为随机变量,建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程;
2)、基于1)步骤的随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论,构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件,并获得适应训练者质量随机变化的跟踪控制器;
3)、基于2)步骤中的跟踪控制器,利用单片机将输出PWM信号提供给康复步行机器人的电机驱动模块,使康复步行机器人帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。
2.根据权利要求1所述的一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法,其特征在于:1)步骤中康复步行机器人的动力学模型描述如下:其中
X(t)为康复训练机器人的实际行走轨迹,u(t)表示控制输入力,fi表示每个轮子的输入力,M表示机器人的质量,m表示康复者的质量,I0表示转动惯量,M0,K(θ), B(θ)为系数矩阵;θ表示水平轴和机器人中心与第一个轮子中心连线间的夹角,即θ=θ1,由康复步行机器人结构知, θ3=θ+π, li表示系统重心到每个轮子中心的距离,λi表示重心到每个轮子的距离,r0表示中心到重心的距离,φi表示x′轴和每个轮子对应的li之间的夹角,i=1,2,3,4;
提取系数矩阵M0K(θ)中训练者的质量m,并将其转化到随机噪声ξ(t)中,得到如下方程:其中
根据方程(2),将随机噪声ξ(t)表示为 其中A表示7维独立随机过程,得令 并计算
进一步,式(3)化为
设随机噪声ξ(t)的谱密度为 即 成立,其中Ω表示谱密度矩阵, 表示具有谱密度分布的随机过程,于是得康复步行机器人的随机微分方程
3.根据权利要求1所述的一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法,其特征在于:2)步骤中跟踪控制器获得方法如下:康复步行机器人实际行走轨迹X(t),医生指定训练轨迹Xd(t),设运动轨迹跟踪误差e1(t)和速度跟踪误差e2(t)分别为e1(t)=X(t)-Xd(t) (7)其中α表示待设计的参数,根据康复步行机器人随机微分方程得到跟踪误差系统如下:设计Lyapunov函数为
基于随机稳定理论,得
根据Young’s不等式,对于给定的常数γ1>0,γ2>0,有其中, 表示矩阵的F范数,且 上界为h;I表示适当
维数的单位矩阵;
进一步,设计控制器u(t)如下:
其中 待设计参数 c1>0,c2>0表示控制
器参数;
这样,在控制器(14)作用下,并根据式(11),使跟踪误差系统(9)实现随机指数稳定;对于不同质量的训练者,康复步行机器人都能跟踪医生指定的训练轨迹。
4.根据权利要求1所述的一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制方法,其特征在于:3)步骤中:以单片机为主控制器,主控制器的输入接电机测速模块、输出接电机驱动模块;电机驱动模块与直流电机相连;电源系统给各个电气设备供电;主控制器控制方法为读取电机编码器的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号Xd(t)和 计算得出误差信号;根据误差信号,主控制器按照预定的2)步骤中控制器的控制算法计算出电机的控制量,送给电机驱动模块,电机转动带动轮子维持自身平衡及按指定方式运动。
5.一种不同训练者质量随机变化的康复步行机器人的跟踪控制系统,其特征在于:该系统包括随机微分方程构建模块、跟踪控制器获得模块和训练轨迹模块;
随机微分方程构建模块根据康复步行机器人的动力学模型,将训练者质量m转化为随机变量,建立刻画不同训练者质量变化的随机微分方程;
跟踪控制器获得模块基于随机微分方程构建模块的随机微分方程和随机Lyapunov稳定理论,构建轨迹跟踪误差系统的指数稳定条件,并获得可适应训练者质量随机变化的跟踪控制器;
训练轨迹模块基于跟踪控制器获得模块中的跟踪控制器,利用MSP430系列单片机将输出PWM信号提供给康复步行机器人的电机驱动模块,使康复步行机器人帮助不同质量的训练者跟踪医生指定的训练轨迹。