基于CAD集成Simscape Multibody下肢外骨骼坐起辅助的混合PID-LQR控制器
机器人学
2026-04-07 v1 系统与控制
系统与控制
摘要
下肢外骨骼在坐起转换过程中精确控制仍是康复机器人中的核心挑战，因为人-外骨骼系统具有高度非线性、时变动力学，以及临床安全所施加的严格轨迹跟踪要求。这篇论文提出了三种控制策略的系统设计、仿真和比较评估：经典比例-积分-微分(PID)控制器、线性二次最优(LQR)控制器，以及应用于双侧下肢外骨骼坐起转换的 novel 混合PID-LQR控制器。通过将 SolidWorks CAD装配直接导入 MATLAB/Simulink Simscape Multibody 环境构建了高保真、基于物理的外骨骼动态模型，保留所有连杆的准确几何和惯性特性。使用 OpenSim 肌肉生物力学仿真生成代表生理的关节参考轨迹（髋关节、膝关节和踝关节），并分为三个生物力学阶段：屈曲动量(0-33%)、动量传递(34-66%)、伸展(67-100%)。 proposed 混合PID-LQR控制器将 LQR 的最优暂态响应与 PID 的积分扰动抑制通过调谐的混合系数 alpha = 0.65 结合起来。仿真结果显示，混合PID-LQR 在髋关节和膝关节分别实现了 RMSE 降低 72.3% 和 70.4%，相对于 PID 在所有关节上的垂直降低 90% 以上的 settling time，限制超调在 2.39%-6.10% 之间，证明其在所有评估性能指标中的优势，并显示出强大的临床辅助外骨骼部署潜力。
引用
@article{arxiv.2604.03766,
title = {A Novel Hybrid PID-LQR Controller for Sit-To-Stand Assistance Using a CAD-Integrated Simscape Multibody Lower Limb Exoskeleton},
author = {Ranjeet Kumbhar and Rajmeet Singh and Appaso M Gadade and Ashish Singla and Irfan Hussain},
journal= {arXiv preprint arXiv:2604.03766},
year = {2026}
}