一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法和装置

本发明涉及绳系系统控制，尤其涉及一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法和装置。

背景技术：

1、绳驱并联机器人是一种由绳索并联驱动实现空间运动的新型机器人，具有工作空间大，低能耗，高负载，良好的柔顺性等特点，可应用于多种领域。如今，由于意外事故或疾病导致下肢运动功能受损的人数较多，而现代医学理论研究表明，重复性的康复训练可以帮助重建运动功能，使其恢复正常。由于康复系统需和人体直接进行接触，为避免患者受到二次伤害，其柔顺性和安全性极为重要。相较于常用的刚性杆驱动结构，绳驱并联机器人具有更好的柔顺性及安全性，更适用于康复训练场景。

2、由于绳驱并联机器人的高度非线性、欠驱动的特性，使得其控制变得极为复杂。相关技术中针对绳驱并联机器人的最优控制问题的研究很少。由于绳驱并联康复系统在工作过程中，需兼顾其总体性能指标及控制策略的经济性，故针对绳驱并联康复系统的最优控制问题具有研究意义，但是，相关技术针对绳驱并联康复系统的最优控制的问题，尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、本申请的目的是针对现有技术中的不足，提供一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法、装置、计算机设备和计算机可读存储介质，以至少解决针对绳驱并联康复系统的最优控制的问题。

2、为实现上述目的，本申请采取的技术方案是：

3、第一方面，本申请实施例提供了一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法，所述绳驱并联康复系统包括：外框架、康复腰带、牵引绳索、减重背心以及减重绳索，所述方法包括：

4、构建所述绳驱并联康复系统的动力学模型；

5、基于事件触发机制生成最优控制器，对所述绳驱并联康复系统进行跟踪控制；

6、基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力。

7、在其中一些实施例中，所述绳驱并联康复系统的动力学模型表示为：

8、

9、其中，分别表示为：

10、

11、其中m为动平台质量，为单位矩阵，ta为转速矩阵，ip为动平台在动平台坐标系pxyz下的惯性矩阵，g为重力加速度，ro表示从动平台坐标系pxyz到惯性系oxyz的旋转变换矩阵，选取广义坐标x＝[x,y,z,α,β,γ]t描述动平台的位置和姿态。

12、在其中一些实施例中，所述最优控制器表示为：

13、

14、其中，和为正定对角矩阵，定义触发采样的时间序列为则事件触发时刻的系统状态为为critic网络的理想权重向量，为激活函数向量。

15、在其中一些实施例中，所述基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力，包括：

16、计算绳索拉力向量其中，为所述绳驱并联康复系统的稳态控制器，定义系统期望轨迹为系统期望状态为

17、判断绳索拉力是否在预设范围之内；

18、若绳索拉力不在预设范围之内，将拉力向量分块：其中，t1为超出上下限的ti所对应的行分量，t2为未超过上下限的ti所对应的行分量，并将零空间矩阵n和t′分块：

19、计算调节因子μ＝n1-1(t1′-t1)，则t2′＝t2+n2μ；

20、利用t′更新t。

21、第二方面，本申请实施例提供了一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制装置，所述绳驱并联康复系统包括：外框架、康复腰带、牵引绳索、减重背心以及减重绳索，所述装置包括：

22、构建单元，用于构建所述绳驱并联康复系统的动力学模型；

23、控制单元，用于基于事件触发机制生成最优控制器，对所述绳驱并联康复系统进行跟踪控制；

24、优化单元，用于基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力。

25、在其中一些实施例中，所述绳驱并联康复系统的动力学模型表示为：

26、

27、其中，分别表示为：

28、

29、其中m为动平台质量，为单位矩阵，ta为转速矩阵，ip为动平台在动平台坐标系pxyz下的惯性矩阵，g为重力加速度，ro表示从动平台坐标系pxyz到惯性系oxyz的旋转变换矩阵，选取广义坐标x＝[x,y,z,α,β,γ]t描述动平台的位置和姿态。

30、在其中一些实施例中，所述最优控制器表示为：

31、

32、其中，和为正定对角矩阵，定义触发采样的时间序列为则事件触发时刻的系统状态为为critic网络的理想权重向量，为激活函数向量。

33、在其中一些实施例中，所述优化单元包括：

34、第一计算模块，用于计算绳索拉力向量其中，为所述绳驱并联康复系统的稳态控制器，定义系统期望轨迹为系统期望状态为

35、判断模块，用于判断绳索拉力是否在预设范围之内；

36、分块模块，用于若绳索拉力不在预设范围之内，将拉力向量分块：其中，t1为超出上下限的ti所对应的行分量，t2为未超过上下限的ti所对应的行分量，并将零空间矩阵n和t′分块：

37、第二计算模块，用于计算调节因子μ＝n1-1(t1′-t1)，则t2′＝t2+n2μ；

38、更新模块，用于利用t′更新t。

39、第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法。

40、第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法。

41、本申请采用以上技术方案，与现有技术相比，本申请实施例提供的绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法，通过构建所述绳驱并联康复系统的动力学模型；基于事件触发机制生成最优控制器，对所述绳驱并联康复系统进行跟踪控制；基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力，解决了针对绳驱并联康复系统的最优控制的问题，本申请采用单critic网络结构，相较于传统的adp方法，只需更新单个网络，在提高学习效率同时减轻计算负担；基于事件触发机制的最优控制器，可有效降低更新频率，减轻通信负担；采用零空间重分配方法对绳索拉力进行优化，使其始终保持张紧状态，避免虚牵对系统产生影响。

42、本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

技术特征：

1.一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法，其特征在于，所述绳驱并联康复系统包括：外框架、康复腰带、牵引绳索、减重背心以及减重绳索，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述绳驱并联康复系统的动力学模型表示为：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述最优控制器表示为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力，包括：

5.一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制装置，其特征在于，所述绳驱并联康复系统包括：外框架、康复腰带、牵引绳索、减重背心以及减重绳索，所述装置包括：

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述绳驱并联康复系统的动力学模型表示为：

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述最优控制器表示为：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述优化单元包括：

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至4中任一项所述的方法。

技术总结本发明涉及一种绳驱并联康复系统的自适应动态规划控制方法和装置，其中，该方法包括：构建所述绳驱并联康复系统的动力学模型；基于事件触发机制生成最优控制器，对所述绳驱并联康复系统进行跟踪控制；基于零空间重分配方法优化所述绳驱并联康复系统的绳索拉力。通过本申请，解决了针对绳驱并联康复系统的最优控制的问题，基于事件触发机制的最优控制器可有效降低更新频率，减轻通信负担；采用零空间重分配方法对绳索拉力进行优化，使其始终保持张紧状态，可以避免虚牵对系统产生影响。技术研发人员：鲁迎波,李鹏飞,刘鹏,娄泰山,焦玉召,岳伟超,吴青娥,钱晓亮,陈虎受保护的技术使用者：郑州轻工业大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15