智能助行机器人柔顺控制算法研究

发布时间：2020-06-12 09:30

【摘要】：随着年龄的增大,身体机能逐渐下降,老年人行走变得困难,特别是在人口老龄化加速的背景下,针对如何辅助老年人独立行走问题变得尤为重要。近些年,如何使用智能助行机器人辅助老年人行走的问题成为了国内外研究热点。智能助行机器人是将机器人技术与传统轮式助行器相结合辅助老年人行走的工具。而在智能助行机器人的研究中,智能助行机器人的控制策略是助行机器人能够更好地辅助用户行走的关键。针对智能助行机器人的控制策略问题,本文主要对智能助行机器人的柔顺控制展开研究。助行机器人柔顺控制目标是指助行机器人能够根据人机交互力的变化作出相应调整,从而顺从用户控制。为实现智能助行机器人柔顺控制,本文考虑将能够被用户很好控制的助行器作为参考,通过借鉴模型参考自适应控制手段实现智能助行机器人的柔顺性。本论文主要研究内容分为三部分。首先针对本论文所研究的助行机器人结构进行了详细介绍,并根据助行机器人结构,对助行机器人进行机理分析,建立了智能助行机器人的运动学模型和动力学模型。其中智能助行机器人运动学建模反映了机器人在空间运动位置的变化。智能助行机器人的动力学反映了机器人受力情况与机器人运动状态关系。为了全面考虑助行机器受力情况,分析机器人运动状态,本文将通过三视图角度分析智能助行机器人受力情况,最后将动力学方程整理成拉格朗日标准形式,来描述外部作用力与助行机器人的运动状态关系。其次通过在助行器上安装人-助行器交互信息检测传感器,构建了助行器数据采集平台,并通过上位机软件设计实现了人机交互信息与助行器运动姿态信息的监测与存储。最后对人-助行器交互信息进行详细分析,研究用户在使用助行器时的助行器运动状态变化,以便研究助行机器人如何运动,才能满足用户行走需求。最后结合模型参考自适应控制完成智能助行机器人柔顺控制器设计。在控制器设计过程中,首先对助行器进行机理分析,完成了助行机器人参考模型建立,然后采用基于梯度法自适应律完成控制器设计,最后对参考模型的正确性以及助行机器人柔顺控制算法的的有效性进行验证。通过实验结果可以发现助行机器人的参考模型具有一定的准确性,助行机器人的柔顺控制算法也是有效的。
【图文】：

助行器

沈阳工业大学硕士学位论文能力弱的老年人行走非常困难，单手支撑使得稳定性比较差，容易摔倒。助行器的使用提高了老年人使用的安全性。助行器又分为传统助行器和新型智能助行机器人。助行器即无动力助行器，主要有助行架，前轮型助行架和四轮型助行架如图 1.1 所示。助行器主要特点是无动力，虽然起到支撑作用，但是助行器的运动需要使用者提供驱动力。另外在行走过程中完成转弯，停止等一系列控制都需要使用者来完成。因此使用者需要有足够的认知能力和注意力来控制这些辅助设备[6，7]。这对于执行功能障碍的老年人来说是一种挑战，主要因为他们在同一时间去完成两件事情是很难的，同时困扰着他们的还有注意力的转换[6]。另外，由于助行器的辅助行走作用，也因此限制脚的横向移动的潜力，从而妨碍外侧平衡的稳定性，有可能导致摔倒的情况发生[5，8]。但是传统助行器完全受用户控制，即可以根据用户主动操作，，达到用户期望运动。

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3根据以上分析可以看出助行机器人柔顺控制研究对辅助用户行走具有重要意义。图1.2 智能助行机器人Fig.1.2Intelligentwalking-aidrobot1.3 国内外研究现状1.3.1 助行机器人国外研究现状Shibata 等设计了电动轮椅[9]，如图 1.3 所示。在该设计中，将人推电动轮椅时的手臂作为一个虚拟阻尼器，并通过阻抗控制的方法实现了推轮椅这个动作时的柔顺性。而 Katsura 等[10]设计了反应力矩观测器实现了对平移和旋转两个方向上的干扰的观测，并在这两个方向上采用将自适应力控制，实现用户在推动电动轮椅时的对偶柔顺控制。这些主要是针对轮椅机器人的研究，对能够完成基本行走的用户是不方便的。图 1.3 电动轮椅Fig. 1.3 Electric Wheelchair针对可独立使用的助行机器人的研究，韩国科学家 Kyoungchul Kong 等研发了穿戴与辅助行走结合的助行机器人[11]
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

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