基于MFAC-ILC的PAM-MRB柔性膝關(guān)節(jié)的仿真與試驗研究

摘要：【目的】針對氣動人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscle， PAM）與磁流變阻尼器（Magnetorhe?ological damper， MRB）復(fù)合結(jié)構(gòu)的非線性對PAM-MRB膝關(guān)節(jié)運動軌跡的跟蹤精度的影響，提出一種無模型自適應(yīng)控制（Model-Free Adaptive Control， MFAC）結(jié)合迭代學習控制（Iterative Learning Control，ILC）算法的方法。【方法】首先，結(jié)合氣動肌肉與磁流變阻尼器的力學模型，推導(dǎo)出PAM-MRB柔性膝關(guān)節(jié)的動力學模型；其次，利用無模型自適應(yīng)控制結(jié)合迭代算法設(shè)計出無模型自適應(yīng)迭代控制器（Model-Free Adaptive Iterative Controller， MFAC-ILC），并使用Matlab軟件對所提控制方法的有效性進行仿真驗證；最后，搭建樣機平臺對提出的控制方法進行試驗驗證。【結(jié)果】結(jié)果表明，MFAC-ILC比比例、積分、微分（Proportion， Integral， Differential， PID）控制有著更好的控制效果，控制誤差降低5°左右；相較于PID控制，MFAC-ILC對PAM-MRB柔性膝關(guān)節(jié)有著更快的軌跡跟蹤收斂速度，跟蹤誤差降低了2°，并且避免了因為膝關(guān)節(jié)建模準確性問題帶來的軌跡跟蹤誤差。

關(guān)鍵詞：氣動人工肌肉；磁流變阻尼器；無模型自適應(yīng)控制；迭代控制

中圖分類號：TP242.6 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 006

0 引言

下肢關(guān)節(jié)在人體運動中起著關(guān)鍵作用。由于戰(zhàn)爭、車禍、疾病等原因?qū)е碌南轮刂咴絹碓蕉啵麄兊纳钍艿絿乐赜绊懀钯|(zhì)量急劇下降。下肢假肢不僅能夠使下肢截肢者恢復(fù)一定的運動功能，還能使截肢者的心理得到部分修復(fù)[1]。相較于傳統(tǒng)的機械膝關(guān)節(jié)，氣動人工肌肉（Pneumatic Artificial Mus?cle， PAM）與磁流變阻尼器（Magnetorheological damp?er， MRB）膝關(guān)節(jié)因具有柔性特性以及仿生性，一度在膝關(guān)節(jié)研究中成為熱點[2]。但是，PAM-MRB柔性膝關(guān)節(jié)具有很高的非線性，這對軌跡跟蹤精度的控制有很大的影響[3-4]。

針對氣動肌肉膝關(guān)節(jié)的控制，黃繼清等[5]使用雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)為位置比例微分控制+控制力矩，內(nèi)環(huán)為氣動肌肉拉力控制。ZHAO等[6]設(shè)計了一種基于非線性擴展狀態(tài)觀測器的自適應(yīng)控制方法，考慮了氣動肌肉的死區(qū)特性。針對磁流變阻尼器的控制，李振東[7]使用智能比例、積分、微分（Propor?tion， Integral， Differential， PID）控制，有著很好的振動抑制效果。FU等[8]使用滑模跟蹤控制，對于磁流變阻尼器膝關(guān)節(jié)的軌跡跟蹤具有很高的魯棒性。以上的柔性膝關(guān)節(jié)控制策略都考慮了關(guān)節(jié)的非線性影響，但是軌跡跟蹤效果不夠好。

無模型自適應(yīng)控制（Model-Free Adaptive Control，MFAC）是一種基于數(shù)據(jù)的動態(tài)線性化控制方法，控制器中不包含被控對象數(shù)學模型的任何信息，僅利用被控對象的輸入、輸出數(shù)據(jù)，有效整合以近似描述系統(tǒng)的動力學特性[9-11]。迭代學習控制（Iterative LearningControl， ILC）能夠在有限時間內(nèi)，利用前一次或前幾次操作時得到的誤差信息來修正控制輸入，從而改善控制目標[12]。

針對PAM-MRB 柔性膝關(guān)節(jié)的非線性導(dǎo)致的跟蹤精度不精確的問題，本文設(shè)計了無模型自適應(yīng)迭代控制器（Model-Free Adaptive Iterative Controller，MFAC-ILC），使其在對復(fù)合膝關(guān)節(jié)進行軌跡控制時，可以高精度地跟蹤運動期望軌跡；同時，對PAM-MRB 柔性膝關(guān)節(jié)進行了軌跡跟蹤控制仿真和試驗驗證。