本文關(guān)鍵詞：助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)護(hù)策略研究

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【摘要】：隨著年齡的增長,老年人的行走能力逐漸下降,這不僅僅會(huì)影響他們的日常生活,更會(huì)降低他們的生活質(zhì)量,增加對他人的依耐性。目前中國正逐步進(jìn)入老齡化社會(huì),據(jù)估計(jì)到2050年,老年人(年齡超過60)人口比例將會(huì)達(dá)到33%。老年人護(hù)理工作需要占用很大一部分醫(yī)療護(hù)理資源,而且價(jià)格昂貴,所以開發(fā)在日常生活中能夠支撐或者幫助老年人的助行設(shè)備十分緊迫。使用機(jī)器人技術(shù)的助行機(jī)器人能夠在日常生活中幫助老年人行走,讓他們重新獲得獨(dú)立的機(jī)會(huì),提高他們的生活質(zhì)量,這些對于逐步進(jìn)入老齡化社會(huì)的康復(fù)保健系統(tǒng)非常重要。本文對助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)護(hù)策略進(jìn)行了研究。針對用戶對助行機(jī)器人的安全性和柔順性的要求,提出基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的共享控制機(jī)制和基于多傳感器融合的柔順運(yùn)動(dòng)控制算法,增加了助行機(jī)器人的柔順性。提出兩種用戶跌倒檢測的方法,實(shí)現(xiàn)了對用戶的跌倒防護(hù),提高了助行機(jī)器人的安全性。本論文詳細(xì)介紹智能助行機(jī)器人I和智能助行機(jī)器人II的開發(fā)與設(shè)計(jì)。首先針對兼顧用戶的使用感受和機(jī)器人系統(tǒng)控制的要求,開發(fā)設(shè)計(jì)了智能助行機(jī)器人I。然后在智能助行機(jī)器人I的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,增加了可調(diào)圍欄式輔助支撐結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了有效的物理支撐,改進(jìn)了人-機(jī)交互系統(tǒng),提出了基于人-機(jī)力交互控制的助行機(jī)器人導(dǎo)納控制算法,實(shí)現(xiàn)了更加安全、穩(wěn)定、靈活、成本更低以及易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化的智能助行機(jī)器人II。本論文提出一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的智能助行機(jī)器人共享控制機(jī)制。根據(jù)用戶的控制效率和行走環(huán)境,采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法在線調(diào)節(jié)用戶控制權(quán)重值。使用共享控制方法根據(jù)用戶控制權(quán)重值合成用戶行走意圖速度和助行機(jī)器人規(guī)劃速度,得到即能順應(yīng)用戶意圖,又能保障用戶安全的運(yùn)動(dòng)控制。一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的共享控制機(jī)制能夠在保障安全的情況下,有效保證用戶的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。本論文研究智能助行機(jī)器人的用戶跌倒檢測和防護(hù)策略。采用穿戴式傳感設(shè)備在線觀測用戶行走狀態(tài),將用戶壓力中心點(diǎn)(COP)和雙腳中點(diǎn)的距離以及用戶腰部的高度作為檢測特征,對用戶跌倒趨勢進(jìn)行檢測。當(dāng)用戶處于正常行走狀態(tài)下時(shí),使用傳統(tǒng)的導(dǎo)納控制算法,當(dāng)助行機(jī)器人檢測到用戶有跌倒趨勢時(shí),立即停止運(yùn)動(dòng),防止用戶跌倒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明用戶跌倒檢測和防護(hù)策略的有效性。本論文針對智能助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中的柔順性和安全性,提出助行機(jī)器人多傳感器融合柔順運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)護(hù)方法。使用力傳感器和激光測距儀分別得到用戶上／下肢的運(yùn)動(dòng)意圖速度,使用基于卡爾曼濾波的序貫概率比檢驗(yàn)法(SPRT)方法和決策函數(shù)來判斷用戶跌倒趨勢及跌倒模式。當(dāng)用戶處于正常行走狀態(tài)時(shí),采用多傳感器融合技術(shù)融合上肢和下肢表現(xiàn)出來的運(yùn)動(dòng)意圖速度,得到更加準(zhǔn)確,更加柔順的用戶意圖速度。當(dāng)檢測到跌倒趨勢時(shí),緊急制動(dòng)機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)證明該運(yùn)動(dòng)控制算法能夠有效增加用戶在操作機(jī)器人時(shí)的柔順性,并且預(yù)測用戶的跌倒趨勢,采取有效的跌倒防護(hù)。本論文研究智能助行機(jī)器人對用戶的跌倒防護(hù)運(yùn)動(dòng)控制。為了提高助行機(jī)器人的安全性和跌倒防護(hù)過程中的柔順性,提出基于阻抗-滑�？刂频挠脩舻狗雷o(hù)運(yùn)動(dòng)控制算法。建立用戶跌倒時(shí)的助行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型和阻抗控制模型。結(jié)合滑�？刂扑惴�,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償器,使機(jī)器人系統(tǒng)在到達(dá)滑模面的同時(shí)實(shí)現(xiàn)阻抗控制。Matlab仿真實(shí)驗(yàn)和智能助行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)證明用戶跌倒防護(hù)運(yùn)動(dòng)控制算法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1267140