一种用于仿生假腿精确跟踪控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于仿生假腿精确跟踪控制方法，属于仿真控制技术领域。

背景技术

冰雪运动需要特定的场地，并伴随高速运动，在建立冰雪运动场地时，需要对场地进行测试，而真人测试容易造成损伤，通过仿生假人代替真人则是一种较好的方法。

冰雪运动需要进行动作学习和指导，采用仿生假人进行动作指导是一种有效的方法，能够解决教练不足的问题，并且做出标准的动作示范。

传统假人仅用于碰撞测试，从外观损坏情况推断对人体的危害程度，冰雪运动由于运动的特殊性，对假人腿部运动、角度保持和高频转动做出了要求。

因此，需要对仿生假人腿部控制方法进行研究，使得仿生假人腿部能够精确的完成对期望轨迹信号的跟踪。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，提出了一种用于仿生假腿精确跟踪控制方法，通过二连杆结构仿生假腿，包括相铰接的大腿杆和小腿杆，在小腿杆上，与大腿杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆能够相对大腿杆转动；在大腿杆上，远离小腿杆连接端，设置有大腿驱动电机，使得大腿杆与水平面的夹角能够变化；

通过在大腿杆上设置传感器以测量大腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度；

根据期望角位置与测量角位置获得跟踪误差，通过滑模控制法使得跟踪误差快速收敛，实现仿生假腿对期望轨迹的精确跟踪。

进一步地，在滑模控制法中，设置误差动力学模型为：

e

其中，e

角位置、期望角位置和控制输入力矩均包括大腿部和小腿部，表示为：

q＝[q

q

u＝[u

其中，大腿部角位置q

进一步地，在滑模控制法中，滑模面设置为固定时间收敛非奇异终端滑模面。

进一步地，设置滑模面s为：

其中，α

优选地，所述切换函数σ(e

其中，α

优选地，在滑模控制法中，趋近律设置为：

k

其中，t表示时间，t

进一步地，在滑模控制法中，控制律设置为：

另一方面，本发明还提供了一种仿生假腿，包括大腿杆、小腿杆和微处理器，

大腿杆和小腿杆铰接形成二连杆结构，在小腿杆上，与大腿杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆能够相对大腿杆转动；在大腿杆上，远离小腿杆连接端，设置有大腿驱动电机，使得大腿杆与水平面的夹角能够变化；

在大腿杆上设置传感器以测量大腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度；

所述微处理器根据上述方法之一对大腿驱动电机和小腿驱动电机进行滑模控制。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)不仅实现快速收敛，还规避了非奇异的问题，实现了高精度、高连续性控制，适用于冰雪运动等高速度运动下的控制；

(2)不仅规避滑模自身的抖动，还降低输入控制精度要求，使得控制更加平稳。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的用于仿生假腿精确跟踪控制方法流程示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的用于仿生假腿精确跟踪控制方法二连杆等效结构示意图；

图3示出实施例1仿真结果中角度跟踪情况；

图4示出实施例1仿真结果中角速度变化情况；

图5示出实施例2仿真结果中角度跟踪情况；

图6示出实施例2仿真结果中角速度变化情况。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供了一种用于仿生假腿精确跟踪控制方法，通过二连杆结构仿生假腿，包括相铰接的大腿杆和小腿杆，在小腿杆上，与大腿杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆能够相对大腿杆转动；在大腿杆上，远离小腿杆连接端，设置有大腿驱动电机，使得大腿杆与水平面的夹角能够变化；

进一步地，通过在大腿杆上设置传感器以测量大腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度；

根据测量角位置与期望角位置获得跟踪误差，通过滑模控制法使得跟踪误差快速收敛，实现仿生假腿对期望轨迹的精确跟踪。

在本发明中，将期望轨迹转化为期望角位置，进而传递至仿生假腿，通过滑模控制法跟踪期望角位置，从而实现对仿生假腿对期望轨迹的精确跟踪。

根据本发明，在滑模控制法中，设置误差动力学模型为：

e

其中，e

由于仿生假腿包括相连接的大腿杆和小腿杆，则角位置、期望角位置和控制输入力矩均包括大腿部和小腿部，表示为：

q＝[q

q

u＝[u

其中，大腿部角位置q

进一步地，在滑模控制法中，滑模面设置为固定时间收敛非奇异终端滑模面，所述滑模面s设置为：

其中，α

优选地，α

在本发明中，所述滑模面为分段滑模，上述分段滑模不仅使得其能够在测量和期望接近时进行线性滑模控制，实现快速收敛，还规避了非奇异的问题。

此外，该滑模面还是针对冰雪条件下的高速运动进行优化获得的结果，由于冰雪运动需要精确的腿部跟踪，即腿部运动速度也需要精确把控，上述滑模面设计不仅精度高，而且连续性更好。

进一步地，所述切换函数σ(e

其中，α

该切换函数，切换点的微分相同，不仅规避奇异性问题，还进一步增加了腿部动作的平滑连续性。

根据本发明一个优选的实施方式，在滑模控制法中，趋近律设置为：

k

其中，t表示时间，t

上述自适应参数设置，不仅规避滑模自身的抖动，而且相较于传统，降低输入控制精度要求，从而提高容错率，解决冰雪高速运动带来的失控风险增高问题。

进一步地，在滑模控制法中，控制律设置为：

另一方面，本发明还提供了一种仿生假腿，包括大腿杆、小腿杆和微处理器，

大腿杆和小腿杆铰接形成二连杆结构，在小腿杆上，与大腿杆连接端，设置有小腿驱动电机，使得小腿杆能够相对大腿杆转动；在大腿杆上，远离小腿杆连接端，设置有大腿驱动电机，使得大腿杆与水平面的夹角能够变化；

在大腿杆上设置传感器以测量大腿杆的角位置、角速率和角加速度，以及在小腿杆上设置传感器以测量小腿杆的角位置、角速率和角加速度；

所述微处理器根据上述方法对大腿驱动电机和小腿驱动电机进行滑模控制。

实施例

实施例1

设置大腿杆和小腿杆均按照如下期望位置角进行变化:

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进行仿真实验，根据期望角位置与测量角位置获得跟踪误差，通过滑模控制法使得跟踪误差快速收敛，在滑模控制法中，

设置滑模面s为：

其中，α

切换函数σ(e

其中，α

趋近律设置为：

k

其中，t表示时间，t

控制律设置为：

仿真结果如图3-4所示，其中，图3示出角度跟踪情况，图 4示出角速度变化情况。

从图3可以看出，在较短的延迟时间内，腿部可以快速跟踪期望信号，由于选择阶跃信号，在信号幅值切换时，会出现跳变现象，由图4可以看出仿生假腿可以迅速做出反应，进一步跟踪期望信号，且仿生假腿角速度变化平滑，有利于保证仿生假腿角的性能和使用寿命。

实施例2

进行与实施例1相同的仿真实验，区别在于，设置大腿杆和小腿杆均按照如下期望位置角进行变化:

q

该期望角位置变化频率更高，能够模拟冰雪运动时的快速动作，仿真结果如图5-6所示，其中，图5示出角度跟踪情况，图6示出角速度变化情况。

由图中可以看出，在经过短暂的延迟时间，大约1s之后，腿部的角位移量能够跟踪期望信号，并且没有出现超调现象。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。