<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">69167</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2025.069167</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Radial Basis Function Neural Network Adaptive Controller for Wearable Upper-Limb Exoskeleton with Disturbance Observer</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Radial Basis Function Neural Network Adaptive Controller for Wearable Upper-Limb Exoskeleton with Disturbance Observer</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Radial Basis Function Neural Network Adaptive Controller for Wearable Upper-Limb Exoskeleton with Disturbance Observer</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Amiri</surname><given-names>Mohammad Soleimani</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Boubaker</surname><given-names>Sahbi</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref><email>sboubaker@uj.edu.sa</email></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Ramli</surname><given-names>Rizauddin</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-4">4</xref><email>rizauddin@ukm.edu.my</email></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Kamel</surname><given-names>Souad</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Department of Artificial Intelligence, Faculty of Artificial Intelligence and Cyber Security, Universiti Teknikal Malaysia Melaka, Hang Tuah Jaya, Durian Tunggal</institution>, <addr-line>Melaka, 76100</addr-line>, <country>Malaysia</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Department of Computer and Network Engineering, College of Computer Science and Engineering, University of Jeddah</institution>, <addr-line>Jeddah, 21959</addr-line>, <country>Saudi Arabia</country></aff>
<aff id="aff-3"><label>3</label><institution>King Salman Center for Disability Research</institution>, <addr-line>Riyadh, 11614</addr-line>, <country>Saudi Arabia</country></aff>
<aff id="aff-4"><label>4</label><institution>Department of Mechanical and Manufacturing Engineering, Faculty of Engineering and Built Environment, Universiti Kebangsaan Malaysia</institution>, <addr-line>Bangi, 43600, Selangor</addr-line>, <country>Malaysia</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Authors: Sahbi Boubaker. Email: <email>sboubaker@uj.edu.sa</email>; Rizauddin Ramli. Email: <email>rizauddin@ukm.edu.my</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic">
<day>30</day><month>09</month><year>2025</year>
</pub-date>
<volume>144</volume>
<issue>3</issue>
<fpage>3113</fpage>
<lpage>3133</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>16</day>
<month>6</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>20</day>
<month>8</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2025 The Authors.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Published by Tech Science Press.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_69167.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Disability is defined as a condition that makes it difficult for a person to perform certain vital activities. In recent years, the integration of the concepts of intelligence in solving various problems for disabled persons has become more frequent. However, controlling an exoskeleton for rehabilitation presents challenges due to their non-linear characteristics and external disturbances caused by the structure itself or the patient wearing the exoskeleton. To remedy these problems, this paper presents a novel adaptive control strategy for upper-limb rehabilitation exoskeletons, addressing the challenges of nonlinear dynamics and external disturbances. The proposed controller integrated a Radial Basis Function Neural Network (RBFNN) with a disturbance observer and employed a high-dimensional integral Lyapunov function to guarantee system stability and trajectory tracking performance. In the control system, the role of the RBFNN was to estimate uncertain signals in the dynamic model, while the disturbance observer tackled external disturbances during trajectory tracking. Artificially created scenarios for Human-Robot interactive experiments and periodically repeated reference trajectory experiments validated the controller&#x2019;s performance, demonstrating efficient tracking. The proposed controller is found to achieve superior tracking accuracy with Root-Mean-Squared (RMS) errors of 0.022&#x2013;0.026 rad for all joints, outperforming conventional Proportional-Integral-Derivative (PID) by 73% and Neural-Fuzzy Adaptive Control (NFAC) by 389.47% lower error. These results suggested that the RBFNN adaptive controller, coupled with disturbance compensation, could serve as an effective rehabilitation tool for upper-limb exoskeletons. These results demonstrate the superiority of the proposed method in enhancing rehabilitation accuracy and robustness, offering a promising solution for the control of upper-limb assistive devices. Based on the obtained results and due to their high robustness, the proposed control schemes can be extended to other motor disabilities, including lower limb exoskeletons.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Adaptive neural network controller</kwd>
<kwd>disturbance observer</kwd>
<kwd>upper-limb exoskeleton</kwd>
<kwd>rehabilitation robotics</kwd>
<kwd>Lyapunov stability</kwd>
<kwd>radial basis function network</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="awg1">
<funding-source>King Salman Center For Disability Research</funding-source>
<award-id>KSRG-2024-468</award-id>
</award-group>
</funding-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Motor function impairments frequently stem from neurological conditions such as spinal cord injuries and strokes [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-3">3</xref>]. In the rehabilitation context, designing appropriate exercises plays a crucial role in helping patients regain motor functions necessary for daily activities [<xref ref-type="bibr" rid="ref-4">4</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>]. However, traditional rehabilitation methods heavily rely on one-on-one manual treatment provided by physiotherapists, who subjectively determine exercise difficulty levels and adaptations based on their expertise [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>]. This labor-intensive approach highlights the challenges posed by the subjective nature of therapist perception [<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]. Consequently, there is a growing interest in robotic-assisted devices as they have the potential to alleviate muscle atrophy in patients and reduce the physical demands placed on physiotherapists [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>]. In addition, those devices can ensure a certain level of rehabilitation automation highly required for special types of disabilities.</p>
<p>Robot-assisted systems which involve a high level of interaction between the device and the patient, have become a significant area of interest in robotics, particularly in the context of rehabilitating patients with neurological disabilities [<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-11">11</xref>]. Exoskeleton robots have been utilized in the implementation of rehabilitation programs to support physiotherapists and individuals recovering from post-stroke impairments.</p>
<p>The control strategies employed in rehabilitation robots are essential for achieving optimal performance in various rehabilitation treatments [<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]. Zhao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>] investigated a back stepping controller based on extended state observer for a hydraulic driven lower limb exoskeleton robot to enhance the functionality of load-bearing capacity and to reduce fatigue. Zhang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>] proposed an estimated time-delay approach using Neural Network (NN) of a model-free proportional-derivative controller for a lower-limb exoskeleton. They validated the efficiency of their control system using a simulated model of an lower-limb exoskeleton. Yang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>] proposed an NN controller for a lower-limb exoskeleton robot to conduct trajectory tracking tasks to compensate for external disturbances and unknown parameters. They validated their control system through simulation in MATLAB. Al-dujaili et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-18">18</xref>] presented an active disturbance rejection control scheme for knee-joint motion control in an exoskeleton medical robot, utilizing both linear and nonlinear extended state observers for disturbance estimation. Asl et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>] also developed an NN feedback trajectory tracking controller for a robotic exoskeleton to compensate the nonlinear dynamics of the exoskeleton. Wu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>] proposed a novel control strategy combining Sliding Mode Controller (SMC) and dynamic movement primitives for a reconfigurable upper-limb rehabilitation exoskeleton. Through experimental validation, they demonstrated that sliding mode control under a combinational reaching law outperforms traditional methods such as Proportional-Integral-Derivative (PID) and power reaching law-based sliding mode control in trajectory tracking. Alwand et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-21">21</xref>] introduced a hybrid control strategy combining active disturbance rejection control and SMC to enhance the tracking performance of a lower limb exoskeleton for hip and knee rehabilitation. Simulation results demonstrated that their controller outperformed conventional approaches by achieving faster tracking, improved disturbance rejection, reduced chattering, and lower control effort. Motivated by the reliable estimation ability of the NN, this work proposed a NN estimation method to determine the unknown parameters.</p>
<p><xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref> provides a comparative analysis of several existing studies that have developed controller methods for various applications. The focus of the studies, shown in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, was on the control methods, the application as well as the study highlights including advantages and challenges of those studies. By examining <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, it can be observed that the surveyed works were relatively new, ranging from 2018 to 2024. In addition, those studies were concerned with the upper-limb and lower-limb as they were the most common motor disabilities. Challenges such as stability, robustness, uncertainties and disturbances were tackled with different levels of accuracy. In <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, controller methods are given by: Finite-time Fractional-order Nonsingular Fast Terminal Sliding Mode Control (FONFTSMC), Neural-Fuzzy Adaptive Controller (NFAC), Model-Free based Neural Network Control with Time-Delay Estimation (TDE-MFNNC), Repetitive Learning Control (RLC), Non-singular Fast Terminal Sliding Mode Control method based on Nonlinear Disturbance Observer (NFTSMC-NDO), Iterative Learning Control (ILC), Fractional-Order Ultra-local Model-based NN Sliding Mode Controller (FO-NNSMC), Adaptive Fuzzy Control (AFC) and Robust Adaptive Radial Basis Function Neural Network (RABFNN) have been used.</p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Comparative analysis of controller methods across various applications</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col align="center"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Ref.</th>
<th>Year</th>
<th>Controller method</th>
<th>Application</th>
<th>Highlights</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]</td>
<td>2022</td>
<td>FONFTSMC</td>
<td>Upper-limb exoskeleton</td>
<td>FONFTSMC ensures finite-time convergence and enhances uncertainty robustness in the trajectory tracking of exoskeleton robots.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>]</td>
<td>2018</td>
<td>NFAC</td>
<td>Upper-limb exoskeleton</td>
<td>The NFAC exhibited lower position tracking error and improved frequency response characteristics compared to conventional methods.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>]</td>
<td>2018</td>
<td>TDE-MFNNC</td>
<td>Lower-limb exoskeleton</td>
<td>TDE-MFNNC performed efficiently in trajectory tracking and stability of the control torque.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>]</td>
<td>2019</td>
<td>RLC &#x0026; NN</td>
<td>Lower-limb exoskeleton</td>
<td>The RLC with NN controller overcame periodic and non-periodic uncertainties simultaneously.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>]</td>
<td>2021</td>
<td>NFTSMC-NDO</td>
<td>Upper-limb exoskeleton</td>
<td>NFTSMC-NDO was employed to overcome dynamic model errors and load disturbances during the reconstruction of the modular joints.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>]</td>
<td>2022</td>
<td>SMC &#x0026; ILC</td>
<td>Upper-limb exoskeleton</td>
<td>SMC was utilized to handle bounded non-periodic disturbances, with the upper bound estimated using ILC.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-25">25</xref>]</td>
<td>2020</td>
<td>RABFNN</td>
<td>Lower-limb exoskeleton</td>
<td>RABFNN was designed to eliminate time-delay estimation issues arising from delays and discontinuous human-exoskeleton interaction torques.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>]</td>
<td>2024</td>
<td>FO-NNSMC</td>
<td>Upper-limb exoskeleton</td>
<td>FO-NNSMSwas developed to overcome the model complexity, uncertainties, external disturbances and input deadzone.</td>
</tr>
<tr>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]</td>
<td>2022</td>
<td>AFC</td>
<td>Lower-limb exoskeleton</td>
<td>AFC was utilized to eliminate the human-robot interaction force using the admittance model of the lower-limb exoskeleton.</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>From the literature presented in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, the researchers have investigated several controller strategies to increase the tracking performance under external disturbances. Although prior controllers in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref> have contributed significantly to the field of rehabilitation robotics, several critical limitations persist. In terms of disturbance handling, some approaches lack explicit disturbance observers, making them less robust against unpredictable human-robot interaction forces. Others rely on the assumption of constant disturbances, which reduces their effectiveness under dynamic patient movements. Regarding stability guarantees, certain methods require prior knowledge of disturbance bounds while others adopt overly conservative designs that compromise responsiveness. Clinical adaptability is also a concern, as some controllers require manual tuning for different rehabilitation modes, and others fail to adjust to a patient&#x2019;s recovery progression over time. These limitations point to the need for a more adaptive, robust, and clinically scalable control strategy.</p>

<p>Motivated by the weakness of the existing works in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, the novelty of this paper lies in the combination of an adaptive controller, Radial Basis Function Neural Network (RBFNN), and disturbance observer to enhance control performance as well as address unknown disturbances and uncertainties in a wearable assistive upper-limb exoskeleton. More explicitly, our paper presented the following contributions:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>An adaptive neural network controller was established based on a high-dimensional integral-type Lyapunov function and associated stability strategies. This design allowed the tracking error to remain within a prescribed boundary while ensuring efficient trajectory tracking.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>A RBFNN was developed to estimate the uncertain parameters of the nonlinear dynamic model. This enhanced the controller&#x2019;s adaptability and improved overall system performance under varying conditions.</p></list-item>
<list-item>
<p>A disturbance observer was integrated into the control framework to compensate for unknown external disturbances. Its implementation increased the robustness of the controller and enabled accurate trajectory tracking in dynamic environments.</p></list-item>
</list></p>
<p>These contributions collectively strengthened the capabilities of the adaptive neural network control system, enabling more effective and reliable performance for upper-limb exoskeleton application.</p>
<p>The remainder of this article has been structured as follows: In <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>, the structure of the upper-limb exoskeleton and the dynamic model have been given. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> addresses the adaptive neural network controller development. <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref> represents validation of the adaptive neural network controller on an upper-limb exoskeleton prototype. <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref> concludes this paper.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Structure of Upper-Limb Exoskeleton System</title>
<p>The main purpose of upper-limb exoskeleton is to aid patients with muscle injuries in improving their motor capabilities for daily activities. In this section, we have presented a comprehensive overview of the mechanical design and dynamics of the prototype exoskeleton.</p>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Mechanical Design and Structure</title>
<p>In this study, an upper-limb exoskeleton, which comprised four Degrees of Freedoms (DOFs) that represents four active joints, was considered. Specifically, the shoulder had two DOFs for abduction/adduction and flexion/extension. The elbow had one DOF for flexion/extension, and the wrist had one DOF for ulnar/radial deviation. <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref> shows the Geometric representation of upper-limb exoskeleton.</p>
<fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Geometric representation of upper-limb exoskeleton</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-1.tif"/>
</fig>
<p>To simplify notation, the abbreviations SP, SR, EP, and WY have been used to represent shoulder pitch, shoulder roll, elbow pitch, and wrist yaw, respectively.</p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Dynamic Model of Upper-Limb Exoskeleton</title>
<p>In the present study, the upper-limb exoskeleton dynamic model is considered as follows:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents the mass-inertia matrix, and <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of joints. The vector <inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> denotes the joint coordinates. <inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents the Coriolis and centrifugal force effects. The vector <inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> accounts for gravitational forces. <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> denotes external disturbances. <inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the applied control torque, and <inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the interaction forces between the human and the exoskeleton. The inertia matrix <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, which captures the distribution of mass and rotational inertia of the links with respect to the joints is represented as follows:
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The centripetal and Coriolis matrix <inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is represented as follows:
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x22EF;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the element of <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> given as follows:
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>The gravitational forces vector <inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is defined as:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x22EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Each element <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the gravitational forces acting on the <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>-th joint due to the weight of the links distal to and including link <inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:mi>i</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It is computed from the potential energy of the system and typically depends on the configuration <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the manipulator.</p>
<p>To obtain the state equations, we define the state vector as <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>If we substitute <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-6">Eq. (6)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>, we obtain the state equation, given as follows:
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The mass-inertia matrix, denoted as <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, can be break down into two parts: the known matrix <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the unknown matrix <inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, as shown below:
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the inertia matrix that contains unknown parameters, while <inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents a diagonal matrix with non-zero elements (<inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>).</p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-7">Eq. (7)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-8">Eq. (8)</xref>, we obtain:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>, <inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents disturbance elements, while <inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D49E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> denotes unknown and uncertain parameters. It highlights the presence of both disturbance elements and unknown and uncertain parameters within the system dynamics.</p>
<p><bold>Lemma 1:</bold> Consider a continuous and differentiable function <inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-28">28</xref>]:
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:msub><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are positive constant values. Then, its derivative <inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is bounded.</p>
<p><bold>Assumption 1:</bold> The external force <inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is limited by a positive constant <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as described in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-17">17</xref>]. Therefore, we have:
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mi>&#x03B4;</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents a positive constant.</p>
<p><bold>Assumption 2:</bold> We assume that <inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">&#x27F6;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are symmetric matrices and bounded:
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are positive constant values.</p>
<p><bold>Remark 1:</bold> Referring to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>, <inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is expressed as follows:
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>In many robotic systems, the actuator inputs are subject to saturation constraints, which impose a bounded condition on the control system output <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Consequently, <inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> remains bounded. Similarly, in the term <inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents external forces, it is bounded based on Assumption 1. Therefore, <inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is also bounded. The variable <inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the forces between the human and the exoskeleton, which is bounded according to [<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>]. Hence, <inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is bounded as well. Consequently, the variable <inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfies Assumption 2 by being bounded.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Adaptive Neural Network Controller and Stability Analysis</title>
<p>This study presents an adaptive neural network controller using a high-dimensional integral-type Lyapunov function for a wearable assistive upper-limb exoskeleton. The objective of the adaptive controller is the integration between Lyapunov function, RBFNN estimator, and disturbance observer for increasing robustness and consider unknown disturbances and uncertainties. This section presents the development of the adaptive neural network controller along with its stability analysis. <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref> shows the logic diagram of the proposed adaptive neural network controller.</p>
<fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>The logic diagram of the controller</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-2.tif"/>
</fig>
<p>The tracking error is defined as:
<disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the desired trajectory and <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the actual trajectory. The tracking error <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> of the control system is given by:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a positive definite symmetric matrix. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>, several linear differential functions can be defined to ensure that <inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula> converges when <inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Consequently, <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> as <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. By differentiating <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-15">Eq. (15)</xref>, we obtain:
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-16">Eq. (16)</xref>, the following <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">Eq. (17)</xref> is obtained:
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The elements of <inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> are defined as:
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>e</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x00A8;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the elements of tracking error, <inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula><inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>. An efficient controller can ensure actual trajectory tracks the desired trajectory and guarantees system stability in the presence of unknown disturbances. To achieve this, the controller&#x2019;s output, <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, is designed to converge to zero, i.e., <inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x27F6;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>].</p>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Radial Basis Function Neural Network Estimator</title>
<p>In this paper, the RBFNN estimator has been used to estimate the uncertainties parameters. The RBFNN is one type of artificial NN that uses radial basis functions as activation functions which is particularly effective for function approximation, pattern recognition, and nonlinear system estimation. When applied as an estimator, the RBFNN is used to model and predict outputs from given inputs, especially when the system being modeled is complex or nonlinear. In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref>, <inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents an uncertainty term and the RBFNN estimator has been utilized to estimate the uncertain term [<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>].</p>
<p><bold>Lemma 2:</bold> The universal approximation theorem states that any continuous function can be approximated with arbitrary precision using a linearly parameterized estimator [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>]. Mathematically, it can be represented as:
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">&#x27F6;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the continuous function, <inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents the input vector, <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mi>&#x03C8;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> denotes the adjustable weight vector, <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents a continuous function, and <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a bounded estimation error.</p>
<p>The bounded estimation error <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-19">Eq. (19)</xref> satisfies the condition:
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents a positive constant number (<inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03B5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>), and <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denotes the domain of the input vector <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. This inequality ensures the estimation error remains within a certain bound for all valid values of <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. By considering <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> as the optimal constant weight, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-19">Eq. (19)</xref> can be rewritten as:
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:mi>F</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> represents the Gaussian function, which is defined as:
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>In the above equation, <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> represents the receptive field center, and <inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:msub><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the Gaussian function width. Additionally, there exists a positive constant <inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi></mml:math></inline-formula> with <inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:mi>&#x03B2;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> represents the smallest possible estimation error of the RBFNN. From the estimation capability of RBFNN, it is known that the estimation error is bounded by the constant <inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msup><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, i.e., <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:msup><mml:mi>&#x03F1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is a positive constant. Therefore, the estimation of the uncertain term <inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> using the RBFNN can be expressed as:
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the RBFNN optimal weight, <inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the hidden-layer output, and <inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a bounded estimated error. We can infer from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eq. (9)</xref> that <inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as represents an unknown uncertain term that can be estimated by the RBFNN.</p>
<p>Since the exoskeleton has 4 DOFs, the number of neurons in the output layer is set to 4. The number of input variables is also chosen as 4, corresponding to the system&#x2019;s states. The hidden layer is configured with 128 neurons. It is worth noting that, due to the continuity of <inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and based on Lemma 1 and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-19">Eq. (19)</xref>, the function is bounded. However, it does not depend on the bounded estimation error <inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> architecture of the RBFNN to estimate <inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Architecture of the RBFNN with 4 inputs, 128 hidden neurons (<inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi></mml:math></inline-formula>), and 4 outputs (<italic>H</italic>), where <inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-3.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Controller Development with Disturbance Observer</title>
<p>The stability and robustness of the adaptive neural network controller are analyzed by the Lyapunov functions. A candidate Lyapunov function is defined as follows [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>]:
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <italic>S</italic> is given as follows:
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>For the system stability proof, we define the equation:
<disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and we make the assumption:
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here, <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a positive definite diagonal matrix of size <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. For simplicity, we assume that <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Additionally, <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is defined, where <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center center center center center center center center center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> with <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mi>&#x03B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a constant eigenvalue. Here, <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> represent desired angular velocity and an independent scalar of <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively [<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>].</p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">Eq. (27)</xref>, based on the eigenvalues maximum and minimum of <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> (<inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>), we have:
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>min</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>This inequality shows the bounds on the quadratic form <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in terms of the eigenvalues of <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">Eq. (26)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">Eq. (28)</xref> yields:
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>max</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>From this inequality, we can conclude that <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eqs. (24)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-27">(27)</xref>, the candidate Lyapunov function can be rewritten as follows:
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>This representation shows that the candidate Lyapunov function <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a quadratic form of the tracking error <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> with integration involving the terms <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. The first derivative of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-24">Eq. (24)</xref> is given as follows:
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here,
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>diag</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>These equations represent the partial derivatives of <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> with respect to <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, respectively. By assuming <inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we can determine,
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting these derivatives into the expression for <inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have:
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>This provides the expression for <inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula> in terms of the derivatives of <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and the variable <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>. It can be further derived as follows:
<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Consider that <inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are independent scalars. Since <inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we can derive <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Therefore, we have:
<disp-formula id="eqn-39"><label>(39)</label><mml:math id="mml-eqn-39" display="block"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03BD;</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>By substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-38">Eqs. (38)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-39">(39)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-31">Eq. (31)</xref>, we have:
<disp-formula id="eqn-40"><label>(40)</label><mml:math id="mml-eqn-40" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-41"><label>(41)</label><mml:math id="mml-eqn-41" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are symmetric matrices, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-17">Eq. (17)</xref> is substituted into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-40">Eq. (40)</xref>, thus we have:
<disp-formula id="eqn-42"><label>(42)</label><mml:math id="mml-eqn-42" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Since <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> are symmetric, we have:
<disp-formula id="eqn-43"><label>(43)</label><mml:math id="mml-eqn-43" display="block"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Then, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-42">Eq. (42)</xref> is rewritten as follows:
<disp-formula id="eqn-44"><label>(44)</label><mml:math id="mml-eqn-44" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>We can further derive as follows:
<disp-formula id="eqn-45"><label>(45)</label><mml:math id="mml-eqn-45" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-46"><label>(46)</label><mml:math id="mml-eqn-46" display="block"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:math></disp-formula></p>
<p>By considering <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, where
<disp-formula id="eqn-47"><label>(47)</label><mml:math id="mml-eqn-47" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-45">Eq. (45)</xref> is rewritten as follows:
<disp-formula id="eqn-48"><label>(48)</label><mml:math id="mml-eqn-48" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>Z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>It is acknowledged from <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">Eq. (23)</xref>, <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is approximated by RBFNN. Therefore we can have:
<disp-formula id="eqn-49"><label>(49)</label><mml:math id="mml-eqn-49" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>From Lemma 1 and Assumption 2, it is determined that <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is bounded <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2A7D;</mml:mo><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is an unknown positive constant.</p>
<p>An auxiliary variable <italic>D</italic> is defined to estimate system disturbance <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> by calculating a disturbance observer [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>], as follows:
<disp-formula id="eqn-50"><label>(50)</label><mml:math id="mml-eqn-50" display="block"><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> represents a positive definite symmetric matrix that needs to be specified. Taking into account <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-9">Eqs. (9)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-50">(50)</xref>, and assuming <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is a diagonal matrix, the time derivative of <italic>D</italic> is given as by:
<disp-formula id="eqn-51"><label>(51)</label><mml:math id="mml-eqn-51" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0210B;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>In <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-51">Eq. (51)</xref>, the term <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is estimated by the RBFNN method, as described in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-23">Eq. (23)</xref>. Thus we can obtain that:
<disp-formula id="eqn-52"><label>(52)</label><mml:math id="mml-eqn-52" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>To calculate the system disturbance <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, it is necessary to obtain the intermediate variable <italic>D</italic> initially. The estimation of <inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is denoted as <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. By utilizing <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-52">Eq. (52)</xref>, Assumption 2, and assuming that <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the update law for <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> can be expressed as follows:
<disp-formula id="eqn-53"><label>(53)</label><mml:math id="mml-eqn-53" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>From <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-50">Eq. (50)</xref>, the approximation of system disturbance <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is represented as follows:
<disp-formula id="eqn-54"><label>(54)</label><mml:math id="mml-eqn-54" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>Estimation error of <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>D</italic> can be obtained as follows:
<disp-formula id="eqn-55"><label>(55)</label><mml:math id="mml-eqn-55" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-56"><label>(56)</label><mml:math id="mml-eqn-56" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>According to <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-50">Eqs. (50)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-53">(53)</xref>, the derivative of <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with time <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mi>t</mml:mi></mml:math></inline-formula> are given as follows:
<disp-formula id="eqn-57"><label>(57)</label><mml:math id="mml-eqn-57" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x00AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, in which <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the estimation of <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. From above analysis, the controller output is defined as follows:
<disp-formula id="eqn-58"><label>(58)</label><mml:math id="mml-eqn-58" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is a symmetric, positive definite matrix. The update law of <inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is given as follows:
<disp-formula id="eqn-59"><label>(59)</label><mml:math id="mml-eqn-59" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents a symmetric positive constant matrix, consisting of positive diagonal elements <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> is a positive constant.</p>
<p>Considering a Lyapunov function candidate as follows:
<disp-formula id="eqn-60"><label>(60)</label><mml:math id="mml-eqn-60" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula></p>
<p>By considering <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-49">Eq. (49)</xref>, the derivative of <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is given as follows:
<disp-formula id="eqn-61"><label>(61)</label><mml:math id="mml-eqn-61" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Substituting controller output in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-58">Eq. (58)</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-61">Eq. (61)</xref>, we have:
<disp-formula id="eqn-62"><label>(62)</label><mml:math id="mml-eqn-62" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>According to Assumption 2, <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-57">Eqs. (57)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-59">(59)</xref>, <inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and the following expressions,
<disp-formula id="eqn-63"><label>(63)</label><mml:math id="mml-eqn-63" display="block"><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-64"><label>(64)</label><mml:math id="mml-eqn-64" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-65"><label>(65)</label><mml:math id="mml-eqn-65" display="block"><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>It can be concluded that,
<disp-formula id="ueqn-68"><mml:math id="mml-ueqn-68" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-66"><label>(66)</label><mml:math id="mml-eqn-66" display="block"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></disp-formula>where the following expressions are taken into consideration:
<disp-formula id="eqn-67"><label>(67)</label><mml:math id="mml-eqn-67" display="block"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A6;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-68"><label>(68)</label><mml:math id="mml-eqn-68" display="block"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>The positive definite controller parameters <italic>K</italic>, <inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and positive constant <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> are needed to be chosen such that: <inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we establish the following inequality:
<disp-formula id="eqn-69"><label>(69)</label><mml:math id="mml-eqn-69" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:math></disp-formula>where
<disp-formula id="eqn-70"><label>(70)</label><mml:math id="mml-eqn-70" display="block"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02133;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:msubsup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-71"><label>(71)</label><mml:math id="mml-eqn-71" display="block"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
<p><inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents the minimum and maximum eigenvalues of <inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, respectively. The following inequality is established by multiplying <inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and the integrating both sides of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-69">Eq. (69)</xref> with respect to time:
<disp-formula id="eqn-72"><label>(72)</label><mml:math id="mml-eqn-72" display="block"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-72">Eq. (72)</xref> shows that <inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> remains ultimately bounded as <inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, it follows that <inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:mi>z</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mrow><mml:mover><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4AC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>&#x03C9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are also bounded within a specific range. Hence, we can conclude that the proof is completed and the stability of this system has been proven by using the Lyapunov method [<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>].</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Results and Discussion</title>
<p>In upper-limb exoskeleton control for rehabilitation, desired trajectories are very important in guiding patient movement and ensuring therapeutic effectiveness. In this context, desired trajectories may vary depending on the patient or the stage of rehabilitation of the same subject. In the case of the same subject, four case scenarios may illustrate the range of control needs. First, passive rehabilitation involves the exoskeleton following a pre-defined trajectory without patient effort, ideal for early-stage recovery or patients with limited motor function. This case-scenario is usually faced during the beginning of the rehabilitation exercises or when the patient power is low. Second, active-assisted control adapts the trajectory based on partial user input, where the exoskeleton supports and guides the limb along a desired path when the patient initiates motion but lacks full strength. Third, in resistive training, the exoskeleton imposes resistance along a target trajectory to strengthen muscles, commonly used in advanced rehabilitation stages. Lastly, task-specific trajectories involve complex, real-world movements (e.g., reaching or grasping), requiring the exoskeleton to follow trajectories that mimic daily activities, promoting neuroplasticity and functional recovery. Each scenario demands precise trajectory planning and real-time adaptability to patient condition, making control design a key challenge in upper-limb rehabilitation robotics.</p>
<p>To test the effectiveness of our proposed controller in trajectory tracking, four case scenarios were created artificially to imitate the above-cited cases. Without loss of generality, the generated trajectories were expected to replicate the upper-limb joint movements of the same subject but at different stages of the rehabilitation or four different subjects. The scenarios were created only for simulation purposes.</p>
<p>The gains of our adaptive neural network controller, namely <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <italic>K</italic>, <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, were proportional gains that significantly affected the system. For example, selecting larger values for the gains increased the system&#x2019;s convergence rate but also led to larger oscillations. Conversely, choosing smaller values for the gains resulted in slower convergence but reduced oscillation. In this study, the parameters were selected using either a trial-and-error approach or based on prior experience to achieve a balance between convergence rate, oscillation, and maintaining a limited range of tracking error. Considering system response, robustness, and tracking error, the controller parameters were determined as <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039E;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1.5</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mi mathvariant="normal">&#x039B;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>200</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>200</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>200</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>200</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.55</mml:mn></mml:math></inline-formula>. For disturbance compensation, the disturbance observer parameters were selected as <inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>4</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3.2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3.2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3.2</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3.2</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. The choice of controller parameters significantly influenced system behavior. For example, higher gain values led to faster convergence but result in greater oscillations, whereas lower gains reduced oscillations at the cost of slower convergence. In this simulation, the parameters were chosen through a trial-and-error process.</p>
<p>The dynamic model of the upper-limb exoskeleton can be described as in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-1">Eq. (1)</xref>. Because it is challenging to obtain the exact mathematical model of the system to simulate precise simulation model of the robot, we assumed that the following external disturbances and the interaction forces between the human and the exoskeleton are present:
<disp-formula id="eqn-73"><label>(73)</label><mml:math id="mml-eqn-73" display="block"><mml:msub><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0.4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.3</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.9</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.6</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2.2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0.7</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1.3</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.4</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-74"><label>(74)</label><mml:math id="mml-eqn-74" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>ext</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mtable rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1.5</mml:mn><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1.8</mml:mn><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2.5</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1.2</mml:mn><mml:mi>sin</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mi>cos</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The artificially generated trajectories <inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msub><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> have been shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref> for SR, SP, EP, and WY. It should be recalled here that the abbreviations SP, SR, EP, and WY have been used to respectively represent shoulder pitch, shoulder roll, elbow pitch, and wrist yaw. The actual trajectories, represented as <inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:mi>q</mml:mi></mml:math></inline-formula>, have been shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>. In what follows, the four cases were considered as scenarios in the context of the conducted simulations.</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Angular trajectories and tracking errors of SR, SP, EP, and WY: (<bold>a</bold>) SR (<bold>b</bold>) SP (<bold>c</bold>) EP (<bold>d</bold>) WY</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-4.tif"/>
</fig>
<p>The desired trajectory were generated based on our previous study in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>]. An analysis of <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref> reveals that the tracking error <inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:mi>e</mml:mi></mml:math></inline-formula> stayed within a defined range, confirming the effectiveness of the adaptive neural network controller. The output of the controller has been represented in <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref>.</p>
<fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Controller output of SR, SP, EP, and WY: (<bold>a</bold>) SR (<bold>b</bold>) SP (<bold>c</bold>) EP (<bold>d</bold>) WY</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-5.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref> presented the raw output of the controller, where the observed chattering reflects the controller&#x2019;s effort to suppress disturbances affecting the system. Also, the controller output remained within a bounded and stable range. The controller output increased as the generated desired trajectory changed more drastically. For example, as represented in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>, the trajectory corresponded to a movement of the SR joint more frequently than SP, resulting in the controller applying a higher output to the actuators. This efficient adaptation of the control system can be observed. Furthermore, <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref> illustrates the estimated disturbance of SR, SP, EP, and WY.</p>
<fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Estimated disturbance of SR, SP, EP, and WY: (<bold>a</bold>) SR (<bold>b</bold>) SP (<bold>c</bold>) EP (<bold>d</bold>) WY</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-6.tif"/>
</fig>
<p>The estimated disturbance was calculated based on the measured data from actual trajectory and the measured torque data for each joint. Frequent moves in trajectory introduce heightened disturbances to the joints, elevating angular velocity and external forces on the arm. This creates additional disturbances in the control system. analysis of <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Figs. 4</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-6">6</xref> revealed the adaptive neural network controller adeptly observed and responded to these disturbances.</p>
<p>In another experiment, a similar procedure was conducted with predefined periodically desired trajectories. The results were then compared with a conventional PID controller mentioned in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>]. The conventional PID controller had the following parameter values: <inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>3</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>2.5</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:msub><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mtable columnalign="center center center center" rowspacing="4pt" columnspacing="1em"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0.1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> illustrates the comparison of the tracking trajectory between the adaptive neural network controller and the conventional PID controller.</p>
<fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Comparison of tracking trajectory of our adaptive neural network controller and a conventional PID controller of each joint. (<bold>a</bold>) SR (<bold>b</bold>) SP (<bold>c</bold>) EP (<bold>d</bold>) WY</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_69167-fig-7.tif"/>
</fig>
<p>The Root Mean Square (RMS) of the tracking error had been determined as shown in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>. This table compares the propsed daptive neural network controller, PID controller from [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>], NFAC from [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>], as well as AFC from [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>].</p>
<table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>RMS of the tracking error for tracking trajectories</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th></th>
<th>Joint 1</th>
<th>Joint 2</th>
<th>Joint 3</th>
<th>Joint 4</th>
</tr>
<tr>
<th>Controllers</th>
<th>(SR)</th>
<th>(SP)</th>
<th>(EP)</th>
<th>(WY)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Adaptive neural network controller</td>
<td>0.022</td>
<td>0.026</td>
<td>0.024</td>
<td>0.019</td>
</tr>
<tr>
<td>Conventional PID</td>
<td>0.073</td>
<td>0.084</td>
<td>0.067</td>
<td>0.070</td>
</tr>
<tr>
<td>NFAC (Wu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>])</td>
<td>0.037</td>
<td>NA</td>
<td>0.027</td>
<td>0.022</td>
</tr>
<tr>
<td>AFC (Huang et al. [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>])</td>
<td>0.1209</td>
<td>0.0992</td>
<td>0.1319</td>
<td>0.0929</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The adaptive neural network controller exhibited a smaller RMS value compared to the conventional PID controller. The adaptive neural network control scheme, which incorporated a disturbance observer, established a more instinctive interaction between the human and robot than the method mentioned in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>]. For instance, the performance of the Adaptive Neural Network Controller for Joint 4 (WY) was more efficient by 15.79%, 389.47%, and 268.42% than the NFAC controller by [<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>], the AFC controller by [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>], and the Conventional PID controller, respectively. Therefore, our adaptive neural network controller method enabled efficient trajectory tracking even in the presence of human interaction forces and unknown disturbances.</p>
<p>Our adaptive neural network controller efficiently tracked defined desired trajectory that was adopted from our previous study in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>]. The disturbance observer effectively mitigated unknown disturbances, ensuring system stability using a high-dimensional integral Lyapunov function. The neural network estimator accurately estimated uncertain parameters of the nonlinear dynamic system. In summary, our adaptive neural network controller constrained the tracking error within a specified range, demonstrating its overall effectiveness. In conclusion, our adaptive control scheme has exhibited satisfactory performance and holds significant potential in the field of upper-limb exoskeletons.</p>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Conclusion</title>
<p>This paper presentd a novel adaptive neural network controller designed for a four DoFs wearable assistive upper-limb exoskeleton. The controller ensured system stability using a high-dimensional integral-based Lyapunov function. The RBFNN estimated uncertain parameters, while a disturbance observer handled unknown disturbances. The adaptive neural network controller aimed to accurately track the exoskeleton&#x2019;s desired trajectory for target joints.</p>
<p>Four human-interaction-based scenarios were conducted to assess the controller&#x2019;s effectiveness. Results revealed that the adaptive neural network controller bounded tracking errors within a specific range, surpassing the conventional PID controller in terms of efficiency and performance. The proposed controller achieved a significant improvement in RMS tracking error over several benchmark methods, reducing the error by 73% compared to the conventional PID controller, by 15.8% compared to the NFAC, and by an impressive 389% compared to the AFC method.</p>
<p>Although our adaptive neural network controller exhibited impressive performance, recognizing its limitations is crucial for future enhancements. Future research could focus on refining control parameters to attain a higher level of precision and adaptability. Intelligent algorithms based on human interaction movements could be employed to train disturbance observer parameters. Also, future studies could explore hybridizing our control framework with reinforcement learning for adaptive parameter tuning or Gaussian processes for uncertainty quantification. Incorporating the wearer&#x2019;s estimation strategy into training may further enhance the disturbance observer&#x2019;s efficiency and overall performance.</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>The authors extend their appreciation to the King Salman Center For Disability Research for funding this work through Research Group No. KSRG-2024-468.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>This research was funded by the King Salman Center For Disability Research, through Research Group No. KSRG-2024-468.</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>Conceptualization, Mohammad Soleimani Amiri, Sahbi Boubaker, Souad Kamel and Rizauddin Ramli; methodology, Mohammad Soleimani Amiri and Rizauddin Ramli; software, Mohammad Soleimani Amiri; validation, Mohammad Soleimani Amiri, Rizauddin Ramli and Sahbi Boubaker; formal analysis, Mohammad Soleimani Amiri, Rizauddin Ramli and Sahbi Boubaker; investigation, Mohammad Soleimani Amiri, Souad Kamel and Rizauddin Ramli; resources, Mohammad Soleimani Amiri; data curation, Mohammad Soleimani Amiri, Souad Kamel and Rizauddin Ramli; writing&#x2014;original draft preparation, Mohammad Soleimani Amiri; writing&#x2014;review and editing, Sahbi Boubaker, Rizauddin Ramli and Souad Kamel; visualization, Mohammad Soleimani Amiri; supervision, Rizauddin Ramli; project administration, Sahbi Boubaker; funding acquisition, Sahbi Boubaker. All authors reviewed the results and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability">
<title>Availability of Data and Materials</title>
<p>Due to the nature of this research, participants of this study did not agree for their data to be shared publicly, so supporting data is not available.</p>
</sec>
<sec>
<title>Ethics Approval</title>
<p>Not applicable</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement">
<title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zipser</surname> <given-names>CM</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cragg</surname> <given-names>JJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guest</surname> <given-names>JD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fehlings</surname> <given-names>MG</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jutzeler</surname> <given-names>CR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Anderson</surname> <given-names>AJ</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Cell-based and stem-cell-based treatments for spinal cord injury: evidence from clinical trials</article-title>. <source>Lancet Neurol</source>. <year>2022</year>;<volume>21</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>659</fpage>&#x2013;<lpage>70</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S1474-4422(21)00464-6</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35569486</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lin</surname> <given-names>PH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dong</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chew</surname> <given-names>SY</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Injectable hydrogels in stroke and spinal cord injury treatment: a review on hydrogel materials, cell-matrix interactions and glial involvement</article-title>. <source>Mat Adv</source>. <year>2021</year>;<volume>2</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>2561</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d0ma00732c</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pei</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bao</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yao</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A vector-based motion retargeting approach for exoskeletons with shoulder girdle mechanism</article-title>. <source>Biomimetics</source>. <year>2025</year>;<volume>10</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>312</fpage>&#x2013;<lpage>27</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/biomimetics10050312</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">40422142</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xue</surname> <given-names>Q</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Lower limb rehabilitation exoskeleton robot: a review</article-title>. <source>Adv Mech Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>13</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>16878140211011862</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1177/16878140211011862</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wang</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chenhao</surname> <given-names>BZL</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Han</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ferreira</surname> <given-names>SWJP</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dong</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>A review on the rehabilitation exoskeletons for the lower limbs of the elderly and the disabled</article-title>. <source>Electronics</source>. <year>2022</year>;<volume>11</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>16</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/electronics11030388</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="conf-proc"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Joel</surname> <given-names>JPA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Raj</surname> <given-names>RJS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Muthukumaran</surname> <given-names>N</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Review on gait rehabilitation training using human adaptive mechatronics system in biomedical engineering</article-title>. In: <conf-name>2022 International Conference on Computer Communication and Informatics (ICCCI); 2022 Jan 25&#x2013;27</conf-name>; <publisher-loc>Coimbatore, India</publisher-loc>. p. <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>5</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ICCCI54379.2022.9740794</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xia</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wei</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Gait phase classification of lower limb exoskeleton based on a compound network model</article-title>. <source>Symmetry</source>. <year>2023</year>;<volume>15</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>163</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/sym15010163</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Cortese</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cempini</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>De Almeida</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Paulo</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Soekadar</surname> <given-names>SR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Carrozza</surname> <given-names>MC</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>A Mechatronic system for robot-mediated hand telerehabilitation</article-title>. <source>IEEE/ASME Trans Mechatr</source>. <year>2015</year>;<volume>20</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1753</fpage>&#x2013;<lpage>64</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMECH.2014.2353298</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Mohammadi</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Knoche</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Th&#x00F8;gersen</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bengtson</surname> <given-names>SH</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kobbelgaard</surname> <given-names>FV</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gull</surname> <given-names>MA</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Tongue control of a five-DOF upper-limb exoskeleton rehabilitates drinking and eating for individuals with severe disabilities</article-title>. <source>Int J Hum Comput Stud</source>. <year>2023</year>;<volume>170</volume>(<issue>10</issue>):<fpage>102962</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhcs.2022.102962</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Qin</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>ZXJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lu</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ji</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Control method in coordinated balance with the human body for lower-limb exoskeleton rehabilitation robots</article-title>. <source>Biomimetics</source>. <year>2025</year>;<volume>10</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>324</fpage>&#x2013;<lpage>48</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/biomimetics10050324</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">40422153</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Song</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yi</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cho</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hong</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Machine learning-powered ultrahigh controllable and wearable magnetoelectric piezotronic touching device</article-title>. <source>Am Chem Soc</source>. <year>2024</year>;<volume>18</volume>(<issue>26</issue>):<fpage>16648</fpage>&#x2013;<lpage>57</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acsnano.4c01102</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38888126</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shi</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ding</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A review on lower limb rehabilitation exoskeleton robots</article-title>. <source>Chin J Mech Eng</source>. <year>2019</year>;<volume>32</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>74</fpage>. (In English). doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s10033-019-0389-8</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rahmani</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Rahman</surname> <given-names>MH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An upper-limb exoskeleton robot control using a novel fast fuzzy sliding mode control</article-title>. <source>J Intell Fuzzy Syst</source>. <year>2019</year>;<volume>36</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>2581</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3233/JIFS-181558</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Razzaghian</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A fuzzy neural network-based fractional-order Lyapunov-based robust control strategy for exoskeleton robots: application in upper-limb rehabilitation</article-title>. <source>Mathem Comput Simulat</source>. <year>2022</year>;<volume>193</volume>(<issue>22</issue>):<fpage>567</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.matcom.2021.10.022</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhao</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hou</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yue</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Meng</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>Z</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Active disturbance rejection control with backstepping for decoupling control of hydraulic driven lower limb exoskeleton robot</article-title>. <source>IEEE Trans Indust Elect</source>. <year>2025</year>;<volume>72</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>714</fpage>&#x2013;<lpage>23</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2024.3413820</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Peyrodie</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Model-free based neural network control with time-delay estimation for lower extremity exoskeleton</article-title>. <source>Neurocomputing</source>. <year>2018</year>;<volume>272</volume>(<issue>10</issue>):<fpage>178</fpage>&#x2013;<lpage>88</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neucom.2017.06.055</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Huang</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Dong</surname> <given-names>X</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Enhanced neural network control of lower limb rehabilitation exoskeleton by add-on repetitive learning</article-title>. <source>Neurocomputing</source>. <year>2019</year>;<volume>323</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>256</fpage>&#x2013;<lpage>64</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.neucom.2018.09.085</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>AL-Dujaili</surname> <given-names>AQ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hasan</surname> <given-names>AF</given-names></string-name>, <string-name><surname>Humaidi</surname> <given-names>AJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Al-Jodah</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Anti-disturbance control design of Exoskeleton Knee robotic system for rehabilitative care</article-title>. <source>Heliyon</source>. <year>2024</year>;<volume>10</volume>(<issue>9</issue>):<fpage>e28911</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.heliyon.2024.e28911</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38694091</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jabbari Asl</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Narikiyo</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kawanishi</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Neural network-based bounded control of robotic exoskeletons without velocity measurements</article-title>. <source>Control Eng Pract</source>. <year>2018</year>;<volume>80</volume>(<issue>12</issue>):<fpage>94</fpage>&#x2013;<lpage>104</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.conengprac.2018.08.005</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wu</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zheng</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Development of a reconfigurable 7-DOF upper limb rehabilitation exoskeleton with gravity compensation based on DMP</article-title>. <source>IEEE Trans Med Robot Bionics</source>. <year>2025</year>;<volume>7</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>303</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TMRB.2024.3517157</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Alawad</surname> <given-names>NA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Humaidi</surname> <given-names>AJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>S Alaraji</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Sliding mode-based active disturbance rejection control of assistive exoskeleton device for rehabilitation of disabled lower limbs</article-title>. <source>An Da Acad Bras De Cienc</source>. <year>2023</year>;<volume>95</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>e20220680</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1590/0001-3765202320220680</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">37341275</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wu</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wagn</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chen</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname> <given-names>H</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Development of an RBFN-based neural-fuzzy adaptive control strategy for an upper limb rehabilitation exoskeleton</article-title>. <source>Mechatronics</source>. <year>2018</year>;<volume>53</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>85</fpage>&#x2013;<lpage>94</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechatronics.2018.05.014</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Liu</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Meng</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ai</surname> <given-names>Q</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Design and control of a reconfigurable upper limb rehabilitation exoskeleton with soft modular joints</article-title>. <source>IEEE Access</source>. <year>2021</year>;<volume>9</volume>:<fpage>166815</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ACCESS.2021.3136242</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A learning control scheme for upper-limb exoskeleton via adaptive sliding mode technique</article-title>. <source>Mechatronics</source>. <year>2022</year>;<volume>86</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>102832</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechatronics.2022.102832</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Han</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Christov</surname> <given-names>N</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Time-delay estimation based computed torque control with robust adaptive RBF neural network compensator for a rehabilitation exoskeleton</article-title>. <source>ISA Trans</source>. <year>2020</year>;<volume>97</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>171</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.isatra.2019.07.030</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">31399252</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>He</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tian</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guo</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A fractional-order ultra-local model-based adaptive neural network sliding mode control of n-DOF upper-limb exoskeleton with input deadzone</article-title>. <source>IEEE/CAA J Autom Sin</source>. <year>2024</year>;<volume>11</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>760</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/JAS.2023.123882</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Huang</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cheng</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Fuzzy enhanced adaptive admittance control of a wearable walking exoskeleton with step trajectory shaping</article-title>. <source>IEEE Trans Fuzzy Syst</source>. <year>2022</year>;<volume>30</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>1451</fpage>&#x2013;<lpage>552</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tfuzz.2022.3162700</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amiri</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramli</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Aliman</surname> <given-names>N</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Adaptive swarm fuzzy logic controller of multi-joint lower limb assistive robot</article-title>. <source>Machines</source>. <year>2022</year>;<volume>10</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>425</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/machines10060425</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ruiz-Ruiz</surname> <given-names>FJ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ventura</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Urdiales</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>G&#x00F3;mez-de-Gabriel</surname> <given-names>JM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Compliant gripper with force estimation for physical human-robot interaction</article-title>. <source>Mech Mach Theory</source>. <year>2022</year>;<volume>178</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>105062</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmachtheory.2022.105062</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amiri</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramli</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Utilisation of initialised observation scheme for multi-joint robotic arm in Lyapunov-based adaptive control strategy</article-title>. <source>Mathematics</source>. <year>2022</year>;<volume>10</volume>(<issue>17</issue>):<fpage>3126</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/math10173126</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Zhang</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Li</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yang</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Adaptive neural network based variable stiffness control of uncertain robotic systems using disturbance observer</article-title>. <source>IEEE Trans Indus Elect</source>. <year>2017</year>;<volume>64</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>2236</fpage>&#x2013;<lpage>45</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TIE.2016.2624260</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Voigtlaender</surname> <given-names>F</given-names></string-name></person-group>. <article-title>The universal approximation theorem for complex-valued neural networks</article-title>. <source>Appl Comput Harmon Anal</source>. <year>2023</year>;<volume>46</volume>(<issue>04</issue>):<fpage>33</fpage>&#x2013;<lpage>61</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.acha.2022.12.002</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Anand</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Seel</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gj&#x00E6;rum</surname> <given-names>V</given-names></string-name>, <string-name><surname>H&#x00E5;kansson</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Robinson</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Saad</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Safe learning for control using control Lyapunov functions and control barrier functions: a review</article-title>. <source>Procedia Comput Sci</source>. <year>2021</year>;<volume>192</volume>(<issue>4-5</issue>):<fpage>3987</fpage>&#x2013;<lpage>97</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.procs.2021.09.173</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shi</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Adaptive fuzzy output-feedback control for nonaffine MIMO nonlinear systems with prescribed performance</article-title>. <source>IEEE Trans Fuzzy Syst</source>. <year>2021</year>;<volume>29</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>1107</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TFUZZ.2020.2969110</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>[35]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Yang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Cui</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qiao</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Adaptive periodic-disturbance observer based composite control for SGCMG gimbal servo system with rotor vibration</article-title>. <source>Control Eng Pract</source>. <year>2023</year>;<volume>132</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>105407</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.conengprac.2022.105407</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>[36]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Qiu</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Duan</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yao</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zeng</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jiang</surname> <given-names>L</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Adaptive Lyapunov function method for power system transient stability analysis</article-title>. <source>IEEE Trans Power Syst</source>. <year>2023</year>;<volume>38</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>3331</fpage>&#x2013;<lpage>44</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TPWRS.2022.3199448</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amiri</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramli</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Fuzzy adaptive controller of a wearable assistive upper limb exoskeleton using a disturbance observer</article-title>. <source>IEEE Trans Human-Mach Syst</source>. <year>2025</year>;<volume>55</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>197</fpage>&#x2013;<lpage>206</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/THMS.2025.3529759</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>[38]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amiri</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramli</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Van</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Swarm-initialized adaptive controller with beetle antenna searching of wearable lower limb exoskeleton for sit-to-stand and walking motions</article-title>. <source>ISA Trans</source>. <year>2025</year>;<volume>158</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>640</fpage>&#x2013;<lpage>53</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.isatra.2025.01.003</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39827031</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amiri</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ramli</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Offline tuning mechanism of joint angular controller for lower-limb exoskeleton with adaptive biogeographical-based optimization</article-title>. <source>Turk J Elect Eng Comput Sci</source>. <year>2022</year>;<volume>30</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1654</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.55730/1300-0632.3871</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>