本發明屬于機械手控制，具體涉及一種外骨骼機械手控制方法。

背景技術：

1、外骨骼機械手是一種能夠增強人體手部功能的可穿戴設備，廣泛應用于康復醫療、工業操作和軍事領域。現有的外骨骼機械手控制方法存在以下問題：傳感器配置不夠完善，無法實時獲取手部的接觸力和關節角度信息；滯后模型未能充分考慮多關節耦合效應，導致控制誤差較大；且缺乏自適應協同控制策略，無法有效處理肌電信號與機械手動作之間的映射關系。

技術實現思路

1、本發明提供了外骨骼機械手控制方法解決上述提到的技術問題，具體采用如下的技術方案：

2、一種外骨骼機械手控制方法，包括以下步驟：

3、s1：構建手部生物力學模型，定義手指關節的自由度，并基于bowden電纜的驅動動力學方程進行分關節建模；

4、s2：在手部部署高密度傳感器，包括指尖觸覺陣列、關節微型編碼器和表面肌電傳感器，其中指尖觸覺陣列用于測量接觸力分布，關節微型編碼器用于測量關節角度，表面肌電傳感器用于采集前臂屈/伸肌群的肌電信號；

5、s3：改進手部特異性bouc-wen模型，引入指間耦合項以修正滯后狀態方程，并通過分層辨識算法對微滯后參數進行辨識；

6、s4：設計自適應協同控制策略，實現肌電信號到關節力矩的模糊映射，并通過多關節參數耦合自適應律對協同跟蹤誤差進行優化；

7、s5：采用修正的雙卡爾曼濾波器對手部機械阻力進行動態補償，包括狀態濾波器和參數濾波器，分別用于實時估計關節摩擦力和更新摩擦系數；

8、s6：優化閉環執行與安全策略，包括變阻抗控制、手指協同軌跡優化和安全邊界保護機制。

9、進一步地，步驟s1中，手指關節的自由度為14個，每個關節的動力學方程為：

10、

11、其中，i=1,2,…,14?表示關節編號，τi為第i個關節的驅動力矩，ji為慣性項，θi為關節角度，bi為阻尼項，ki為彈性項，hi(zi)為滯后項，τext,i為外部力矩項，ffric,i為第i個關節摩擦項，包含指尖接觸摩擦與關節軸承摩擦的耦合效應。

12、進一步地，步驟s2中，指尖觸覺陣列為4*4壓阻傳感器，接觸力分布的計算公式為：

13、

14、其中，wj為歸一化權重，pj為第j個傳感器的測量值，wj∈[0,1]，∑wj=1。

15、進一步地，步驟s3中，改進的bouc-wen滯后狀態方程為：

16、

17、其中，zi表示第i個關節的滯后狀態變量，cij為指間耦合系數，通過抓握實驗標定；

18、通過分層辨識算法對微滯后參數進行辨識，外層采用pso優化算法優化αi、βi、γi和n，αi為第i個關節的滯后剛度系數，控制滯后線性部分，βi為第i個關節的非線性滯后阻尼參數，影響飽和速率，γi為第i個關節的非線性滯后形狀參數，n∈[1,3]，為滯后非線性階數；

19、內層采用最小二乘法實時更新cij和ffric,i。

20、進一步地，步驟s4中，肌電信號到關節力矩的模糊映射公式為：

21、

22、其中，am為第m個通道的肌電激活度，ath為個體化激活閾值，ksemg=0.5n*m/v，表示肌電信號-力矩轉換增益系數，通過校準實驗測定，θmax,i表示第i個關節的最大允許角度，避免在關節角度接近限值時引起的映射值突變。

23、進一步地，步驟s4中，協同跟蹤誤差的定義為：

24、

25、其中，λ=0.3，wi為權重系數，wi∝1/ji，n=14，θi為第?i個關節的角度，θj為第?j個關節的角度；

26、改進后的自適應算法為：

27、

28、其中，表示實時調整的關節等效慣性，其中^表示導數，γj為自適應增益，用以控制慣性參數的更新速率，ei為第i個關節的跟蹤誤差，jnom為標稱慣性值，根據生物力學模型初始設定，jmax為最大慣性值，防止參數超調。

29、進一步地，步驟s5中，狀態濾波器的預測和更新方程為：

30、

31、其中ai=?diag[0.92,?0.85]，ai為狀態轉移矩陣，描述摩擦狀態的動態衰減特性，通過階躍響應實驗標定，表示第i個關節的角度的一階導，表示上一時刻的第i個關節的角度的一階導，為第i個關節的摩擦狀態向量，表示上一時刻的第i個關節的摩擦狀態向量，kf,i表示第i個關節狀態濾波器的卡爾曼增益矩陣，ftip,i表示第i個指尖觸覺陣列的接觸力分布，，hi為觀測矩陣，將摩擦狀態映射到傳感器測量空間，其中，?=0.01?rad/s，?為速度歸一化因子，bfric,i為輸入耦合矩陣，是角速度對摩擦狀態的激勵權重。

32、進一步地，步驟s5中，參數濾波器的更新方程為：

33、

34、其中，σi為摩擦系數，為當前時刻的摩擦系數，表示上一時刻的摩擦系數，kσ,i為參數更新增益，控制參數收斂速率，為模型靈敏度矩陣；

35、指尖接觸力前饋補償的補償力矩公式為：

36、

37、其中，τcomp,i為第i個關節的補償力矩，xj為指尖接觸點位置坐標，ftip,j表示4*4指尖觸覺陣列中第j個傳感器的接觸力，表示第i個關節角度對各個指尖觸覺陣列中的第j個傳感器的導數，ktip表示映射系數，用來增益接觸力映射。

38、進一步地，步驟s6具體為：

39、根據抓握物體的剛度調整阻抗參數，實現變阻抗控制，并在檢測到突發外力時自動切換為導納控制模式；

40、基于接觸力分布對手指協同軌跡進行在線修正，確保多指包絡抓握的穩定性；

41、設置安全邊界保護機制，通過關節角度-力矩包絡線約束確保外骨骼機械手的安全運行。

42、進一步地，步驟s6中，變阻抗控制的阻抗參數調整公式為：

43、

44、其中，kp為剛度參數，kp0為設定的基礎剛度參數，為剛度變化系數，bd為阻尼參數，bd0為設定的基礎阻尼參數，表示ftip的二階向量范數；

45、手指協同軌跡的在線修正公式為：

46、

47、其中，是第i個關節修正后的實時參考角度，θd,i為第i個關節的原始期望角度，來源于肌電信號生成的意圖軌跡，neighbors為協同關節集合，包括包絡抓握中所有參與手指的關節，θd,j為與關節i關聯的鄰域關節j的期望角度，h(zi)用以將滯后的接觸狀態zi?轉化為等效勢能，kc為協同增益，kh為滯后項增益；

48、安全邊界保護機制的關節角度-力矩包絡線約束公式為：

49、

50、其中，τcmd,i為最終輸出的第i個關節的控制力矩，τcomp,i為第i個關節的補償力矩，τi為當前輸出的實際力矩，τmax為最大輸出力矩限制，τsoft為關節接近安全限制時的緩沖目標力矩，通過降低輸出力矩來減少關節沖擊，η=sigmoid(∣θi-θmax,i∣)，實現平滑過渡。

51、本發明的有益之處在于所提供的外骨骼機械手控制方法，通過精確的手部生物力學模型和高密度傳感器配置，能夠實時獲取手部的接觸力和關節角度信息，提高控制精度。通過改進的bouc-wen模型和自適應協同控制策略，能夠有效處理肌電信號與機械手動作之間的映射關系，適應不同的操作環境。

52、本發明的有益之處還在于所提供的外骨骼機械手控制方法，采用修正的雙卡爾曼濾波器對手部機械阻力進行動態補償，能夠實時估計和補償關節摩擦力，提高控制的穩定性。通過變阻抗控制和安全邊界保護機制，能夠根據抓握物體的剛度動態調整阻抗參數，并在檢測到突發外力時自動切換為導納控制模式，確保外骨骼機械手的安全運行。