结合Udwadia-Kalaba控制理论的下肢外骨骼步态轨迹跟踪控制

肖志毅; 沙连森; 邹学坤; 黄锟; 李永斌; 刘斌

西安交通大学学报 ›› 2025, Vol. 59 ›› Issue (1) : 148 -158.

肖志毅, 沙连森, 邹学坤, 黄锟, 李永斌, 刘斌

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摘要

针对现有轨迹跟踪控制方法较难兼顾控制精度与稳定性的问题，提出一种基于Udwadia-Kalaba(U-K)控制理论的鲁棒控制方法。基于拉格朗日法建立机器人动力学模型，将动力学参数分为确定的名义部分与不确定部分；结合U-K理论与系统名义部分参数确定外骨骼机器人系统理想运动轨迹约束下的名义部分控制力矩；为消除机器人系统不确定部分的影响，引入鲁棒控制器，通过划分不确定性边界确定其应输出的额外控制力矩。仿真结果表明：相较于传统PID算法，基于U-K控制理论的鲁棒控制的外骨骼机器人髋关节、膝关节角度的轨迹跟踪控制精度分别提高了76.4%和96.8%。基于设计的下肢外骨骼机器人样机进行轨迹跟踪对比实验，实验结果表明：基于该方法的下肢外骨骼髋关节、膝关节角度的轨迹跟踪精度为0.467 0°和0.114 1°,相比作为对照的PID算法，分别提高了82.6%和86.8%,同时系统整体控制周期缩短了56.6%,该控制方法具有更高的同步性、控制精度与稳定性。