【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及導納控制，尤其涉及一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統。
技術介紹
1、頸椎康復機器人作為一種輔助康復的設備，在改善頸椎功能方面發揮著重要作用。傳統的頸椎康復機器人主要采用電機驅動，通過機械結構實現牽引動作。這種方法在一定程度上能夠實現頸椎康復的目的，但仍存在一些局限性。
2、隨著自動化技術的不斷發展，控制力能、機械技術與醫療技術不斷融合，研究人員已經開發出各種各樣的頸椎康復機器人。例如，有研究人員設計了一個能夠在單伸展彈簧和尸體模型中執行頸椎牽引的自動機器人，該設備能準確地施加牽引力，并在工作過程中保持穩態力和執行器位移相應線性增加。還有研究人員專利技術了一款臥式頸椎康復機器人，實現了頸椎牽引的角度、方向、牽引的精確調節。為實現多自由度的康復，一些研究者設計了六自由度的纜索驅動機器人平臺，該平臺可以實現自然頭頸運動。
3、然而，現有的頸椎康復機器人仍然面臨一些挑戰。首先，大多數設備采用電機驅動末端執行器，雖然控制精度高，但剛度強、允許錯位小，在牽引過程中如果超過康復患者的最大承受拉伸位移和角度，容易造成頸椎損傷。其次，現有的控制方法主要包括pid控制、模糊控制、自適應控制等，這些方法在一定程度上改善了系統的控制性能，但仍難以有效解決非線性和外部干擾問題。
4、因此，開發一種新型頸椎康復機器人控制系統，對于提高頸椎康復機器人的性能和安全性具有重要意義。
技術實現思路
1、有鑒于此，本專利技術提出了一種頸椎康復機器人的混合自抗擾
2、本專利技術的技術方案是這樣實現的：本專利技術提供了一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，頸椎康復機器人采用氣動人工肌肉系統作為驅動元件，所述控制系統包括：
3、外環導納控制器、內環自抗擾控制器和自適應組合閥；
4、外環導納控制器采用質量-彈簧-阻尼器虛擬動力學模型，用于根據實際反饋力與期望跟蹤力的誤差調整期望軌跡；
5、內環自抗擾控制器包括跟蹤微分器、擴展觀測器和非線性反饋控制器，用于抑制氣動人工肌肉系統的非線性和外部干擾，實現位置控制；
6、自適應組合閥用于控制氣動人工肌肉系統的充放氣流量；
7、其中，外環導納控制器的輸出作為內環自抗擾控制器的輸入，內環自抗擾控制器的輸出用于控制自適應組合閥，以實現頸椎康復機器人在牽引過程中的位置控制。
8、在上述方案的基礎上，優選的，質量-彈簧-阻尼器虛擬動力學模型的受力方程為：
9、
10、式中，mr是期望慣性矩陣，br為期望阻尼矩陣，kr為期望剛度矩陣；ew＝vd-v0，vd是參考軌跡，v0是經過外環導納控制器后期望軌跡；δf＝fe-fr>0，fr是期望跟蹤力，fe是實際反饋力。
11、在上述方案的基礎上，優選的，跟蹤微分器設計如下：
12、
13、
14、式中，r0為跟蹤微分器速度因子；h0為跟蹤微分器濾波因子；v1為跟蹤微分器得到的輸入信號v0的跟蹤信號；v2是v1的微分信號。
15、在上述方案的基礎上，優選的，擴展觀測器的表達式如下：
16、
17、式中，xp1，xp2和xp3為氣動人工肌肉系統的狀態；w為xp3的微分；z1，z2和z3分別是xp1，xp2和xp3的估計觀測值；e1為角度觀測值z1與輸出角度xp1的誤差；β01，β02和β03是擴展觀測器的增益系數；u0為輸出占空比；b0為多項式系數；
18、fal(e1,ai,δ)函數表達式如下：
19、
20、式中，δi為線性區間長度；ai為反饋冪次。
21、在上述方案的基礎上，優選的，非線性反饋控制器的表達式如下：
22、
23、式中，εi,i＝1,2為經過跟蹤微分器的vi與估計觀測值zi誤差，β1、β2為比例微分系數。
24、在上述方案的基礎上，優選的，自適應組合閥包括兩個電氣比例閥、一個控制單元和一個壓力傳感器；
25、其中，第一電氣比例閥的進氣口與空壓機相連，出氣口與氣動人工肌肉相連；第二電氣比例閥的進氣口與氣動人工肌肉相連，出氣口與大氣相通；
26、控制單元用于根據內環自抗擾控制器的輸出調節兩個電氣比例閥的開度；
27、壓力傳感器用于檢測氣動人工肌肉系統的內部壓力。
28、在上述方案的基礎上，優選的，頸椎康復機器人包括座椅、位移傳感器、拉力傳感器、鋼纜繩、頸托和氣動人工肌肉系統；
29、其中，氣動人工肌肉系統與位移傳感器并排放置，下端固定，上端與拉力傳感器相連接，拉力傳感器通過纜繩與頸托相連接。
30、在上述方案的基礎上，優選的，頸椎康復機器人的牽引方式包括連續牽引和間歇牽引；
31、其中，連續牽引采用定點位置控制實現，間歇牽引采用間歇式頸椎拉伸最優控制曲線實現。
32、在上述方案的基礎上，優選的，間歇式頸椎拉伸最優控制曲線基于最小加加速度模型生成，其表達式為：
33、
34、其中，vt為間歇式頸椎拉伸最優控制曲線，t為間歇式頸椎牽引最優控制曲線的周期，n為間歇式頸椎牽引最優控制曲線重復的次數，t為時間值，d為間隔時間，t0為關節運動開始時刻，tf為關節運動停止時刻，vs0為關節運動初始位置，vs1為關節運動停止位置。
35、在上述方案的基礎上，優選的，所述控制系統的運行過程為：
36、s1外環導納控制器接收實際反饋力和期望跟蹤力，計算誤差并調整期望軌跡；
37、s2調整后的期望軌跡輸入內環自抗擾控制器；
38、s3跟蹤微分器生成光滑軌跡和微分信號；
39、s4擴展觀測器估計系統狀態和總干擾；
40、s5非線性反饋控制器根據擴展觀測器的輸出計算控制量；
41、s6控制量傳遞給自適應組合閥，調節氣動人工肌肉系統的充放氣流量；
42、s7氣動人工肌肉系統驅動頸椎康復機器人執行牽引動作；
43、s8位移傳感器和拉力傳感器實時反饋位移和力信息，形成閉環控制。
44、本專利技術相對于現有技術具有以下有益效果：
45、(1)本專利技術提出的控制系統，通過結合外環導納控制器和內環自抗擾控制器，實現了對氣動人工肌肉系統非線性和外部干擾的有效抑制，同時兼顧了位置控制的精確性和力輸出的柔順性。該系統能夠根據實際反饋力與期望跟蹤力的誤差自適應地調整期望軌跡，從而在保證頸椎康復機器本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，頸椎康復機器人采用氣動人工肌肉系統作為驅動元件，所述控制系統包括：
2.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，質量-彈簧-阻尼器虛擬動力學模型的受力方程為：
3.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，跟蹤微分器設計如下：
4.如權利要求3所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，擴展觀測器的表達式如下：
5.如權利要求4所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，非線性反饋控制器的表達式如下：
6.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，自適應組合閥包括兩個電氣比例閥、一個控制單元和一個壓力傳感器；
7.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，頸椎康復機器人包括座椅、位移傳感器、拉力傳感器、鋼纜繩、頸托和氣動人工肌肉系統；
8.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人
9.如權利要求8所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，間歇式頸椎拉伸最優控制曲線基于最小加加速度模型生成，其表達式為：
10.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，所述控制系統的運行過程為：
...【技術特征摘要】
1.一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，頸椎康復機器人采用氣動人工肌肉系統作為驅動元件，所述控制系統包括：
2.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，質量-彈簧-阻尼器虛擬動力學模型的受力方程為：
3.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，跟蹤微分器設計如下：
4.如權利要求3所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，擴展觀測器的表達式如下：
5.如權利要求4所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗擾導納控制系統，其特征在于，非線性反饋控制器的表達式如下：
6.如權利要求1所述的一種頸椎康復機器人的混合自抗...
【專利技術屬性】
技術研發人員：彭貝，王浩，李龍，楊二虎，劉志宏，雷威，李罡，
申請(專利權)人：中國船舶集團有限公司第七一九研究所，
類型：發明
國別省市：
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