摘要
针对下肢助力外骨骼膝关节位置伺服系统运动过程中伺服精度要求高、冲击力矩大、负载变化范围广等特点,提出了一种运用模糊规则调节的位置伺服系统滑模控制策略.该策略设计了一种新型带有积分项的滑模面模糊调节部分的结构为单输入双输出,选用模糊规则调节新型终端滑模型趋近率来抑制滑模抖振.仿真及实验表明,该控制策略稳定性和伺服跟踪性好,对负载干扰的鲁棒性强.
2020-08-28收到第1稿,2020-11-06收到修改稿.
下肢助力型外骨骼系统是一种穿戴于人体的助力装置,目前主要运用于单兵,以提高士兵的物资搬运携行及快速机动能力.为贴合实战提高穿戴舒适性,下肢助力外骨骼膝关节需具有贴合人体、结构简单等特点,无法安装力矩传感器,因此大多采用位置环控制.在人机系统行走步态周期内,外骨骼膝关节面临负载冲击大、变化范围广等困难,一般控制算法难以达到理想的控制效果.滑模控制是一种变结构控制,拥有随时开关的特点,可以进行设计且对象与扰动无关,响应速度快、对参数变化及扰动不灵敏、物理实现简单,从而为复杂机电系统控制提供了一种较好的解决方案.但是当系统阶数较大或者结构参数不确定时,很难直接获取控制率,同时抖振问题一直制约着滑模控制的工程化运用.针对上述问题,国内外专家学者提出了很多解决方案,主要有趋近率法、边界层法、观测器法和与智能算法结合等.胡飞
本文针对下肢助力外骨骼膝关节,设计了一种自适应滑模位置控制器,采用单输入双输出的结构形态,被控对象的输入量应用快速终端趋近率求取,选择滑模函数作为模糊控制器的输入项,分别选择幂级趋近项系数和指数趋近项系数作为模糊控制器的两个输出项,依据系统运动动态特性与两个输出项之间的关系,制定模糊规则,使得系统状态点远离滑模面时,趋近率大,离滑模面近时,趋近率小,保证系统最大程度抑制抖振的同时快速趋近滑模面.

图1 膝关节系统结构图
Fig.1 An illustration of knee joint system
在不影响控制性能的情况下,假设:涡流和磁滞损耗几乎为零,电机铁芯饱和忽略不计,电机气隙磁场皆均匀分布,三相绕组的感应电流均以正弦波形式作用.依据假设的情况,采用的控制策略实现对转矩控制的线性化和解耦控制.基于旋转坐标轴(轴坐标系),可以得出系统线性状态方
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机械运动方程
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电磁转矩方程
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式中,L为等效轴产生的电感;为q轴上的电流;为折算到电机轴上的总负载转矩;R为定子相电阻;为转子的机械角速度;B为黏滞摩擦系数;为转子上的磁势;为电机轴输出转矩;J为折算到电机轴上的总转动惯量;为极对个数.
膝关节伺服系统采用三闭环控制,其中位置环选用模糊滑模控制器,速度环简化为PI控制,电流环简化为P控制.由于模糊滑模控制对系统参数精度要求低,故将机械部分假设成刚性体,电气部分处于理想状态,可得速度环的传递函数
(4) |
式中,是速度环时间常数,K是速度环增益.将减速器考虑成积分环节,为减速比,可得膝关节伺服系统开环传递函数
(5) |
可得下肢助力外骨骼膝关节伺服系统结构图如

图2 下肢助力外骨骼膝关节位置伺服系统结构简图
Fig.2 Structure diagram of knee joint position servo system of lower limb assist exoskeleton
(6) |
式中,;考虑系统经常受到不确定因素的影响,为提高状态空间方程精度,需增加不确定项:
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式中,为添加的不确定部分,假使系统满足条件
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式中, β≥1且为常数,F为标量值.
系统位置跟踪误差向量为:
, |
式中,,, .可得:
(9) |
设计带积分滑模面:
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式中,为大于零的常数.可得:
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滑模面选用一种快速终端滑模型趋近率:
(12) |
式中,为正常数,.由于现实系统存在空间和时间上的滞后,因此假设一种等效的平均滑模位置控制器(不确定性为0),根据
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(14) |
将切换位置控制器设计为:
(15) |
式中,.可得总控制器为:
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将增益项设计为:
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式中,.取李雅普诺夫函数为,则有:
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由
(19) |
将
, |
. | (20) |
带入K,可得:
, |
, |
. | (21) |
根据李雅普诺夫稳定性理论判据可知,系统能够在全局意义下趋近渐进稳
将
(22) |
对
(23) |
其中,是的时的初始值.由
(24) |
式中,当时,
(25) |
对
(26) |
由
(27) |
比较
(28) |
可知
根据上述趋近率系数与滑模运动特性关系,将模糊控制器设计成单输入双输出结构形式.即:运用模糊规则,根据滑模函数的值,自适应调整和的值.将的值归一化到区间[-1,1]上,并将分为正大、正中、正小、几为零、负小、负中、负大等7种情况,模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB};将系数和的值归一化到区间[0,1]上,分为几为零、正小、正中、正大等4种情况,模糊子集为{ZO,PS,PM,PB};隶属度函数均选用三角函数.根据上述滑模动态特性与趋近率系数之间的关系分析结果,制定14条模糊规则,如
采用重心法解模糊,可得:
(29) |
则被控对象的输入为
(30) |
膝关节模糊自适应滑模控制系统机理如

图3 模糊自适应滑模控制器控制机理图
Fig.3 Control mechanism of fuzzy adaptive sliding mode controller
为验证控制策略的正确性,运用Matlab/Simulink进行仿真实验,并与经典PID和经典模糊自适应滑模控制策略(即:滑模面选取,其中c为常数,趋近率选取指数趋近率)相比较.仿真模型具体参数如下:模糊滑模控制器参数为,,,;电机转子惯量,等效电感,永磁体,电机磁极对数,相间电阻,额定电流,摩擦黏滞系数;谐波减速器减速比1∶120,速度增益K=120,电流环参数为[P,I,D]=[0.715,0,0],速度环参数为[P,I,D]=[,0.2884,0],位置环参数为[P,I,D]=[10000,0,0].仿真时间设置为2,求解器选择ode45.

图4 新型滑模控制策略仿真模型
Fig.4 Simulation model of new sliding mode control strategy
为验证下肢助力外骨骼膝关节位置控制器抗干扰能力,在1时突加一个值为的阶跃信号,如

图5 阶跃响应曲线
Fig.5 Step response curve
为验证控制系统的跟踪性能,选取做为系统的跟踪曲线,如

图6 跟踪误差曲线
Fig.6 Tracking error curve
实验系统选用STM32F407ZGT6作为位置控制核心板,电机选用J56ZWX02无刷直流电机,额定转速3058r/min~3258r/min,额定扭矩1.5N·m,谐波减速器减速比1∶120,电流环为P控制,采样频率20kHz,速度环为PI控制,执行频率10kHz,位置环依次选用经典PID控制器、经典滑模和新型滑模控制器,执行频率1kHz.系统输入选用正弦信号,修正参数如下:,,,.角度初值为0.08,自变量的量化因子为0.3,变量和的输出量化因子为和.实验结果如

图7 实验控制跟踪误差对比
Fig.7 Comparison of tracking error with experimental control
针对下肢助力外骨骼膝关节位置伺服系统,设计了一种模糊自适应滑模控制策略.仿真及实验结果均表明,该控制策略与经典滑模、PID控制策略相比,跟踪误差更小、响应速度更快、鲁棒性更强,该控制策略完全能够满足下肢助力外骨骼膝关节位置环主从伺服跟踪工作要求.
参 考 文 献
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