助行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制和安全監(jiān)護(hù)策略研究.pdf

1、隨著年齡的增長(zhǎng)，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(duì)他人的依耐性。目前中國(guó)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(guò)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(kāi)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

2、些對(duì)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(duì)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(duì)用戶(hù)對(duì)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(hù)跌倒檢測(cè)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶(hù)的跌倒防護(hù)，提高了助行機(jī)器人的安全性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴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(hù)的控制效率和行走環(huán)境，采用強(qiáng)化學(xué)習(xí)

3、算法在線(xiàn)調(diào)節(jié)用戶(hù)控制權(quán)重值。使用共享控制方法根據(jù)用戶(hù)控制權(quán)重值合成用戶(hù)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(hù)意圖，又能保障用戶(hù)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(hù)的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)。⑵采用穿戴式傳感設(shè)備在線(xiàn)觀測(cè)用戶(hù)行走狀態(tài)，將用戶(hù)壓力中心點(diǎn)（COP）和雙腳中點(diǎn)的距離以及用戶(hù)腰部的高度作為檢測(cè)特征，對(duì)用戶(hù)跌倒趨勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)。當(dāng)用戶(hù)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)

4、助行機(jī)器人檢測(cè)到用戶(hù)有跌倒趨勢(shì)時(shí)，立即停止運(yùn)動(dòng)，防止用戶(hù)跌倒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明用戶(hù)跌倒檢測(cè)和防護(hù)策略的有效性。⑶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(cè)距儀分別得到用戶(hù)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（SP RT）方法和決策函數(shù)來(lái)判斷用戶(hù)跌倒趨勢(shì)及跌倒模式。當(dāng)用戶(hù)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(lái)的運(yùn)動(dòng)意圖速度，得到更加準(zhǔn)確，更加柔順的用戶(hù)意圖速度。當(dāng)

5、檢測(cè)到跌倒趨勢(shì)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(hù)在操作機(jī)器人時(shí)的柔順性，并且預(yù)測(cè)用戶(hù)的跌倒趨勢(shì)，采取有效的跌倒防護(hù)。⑷為了提高助行機(jī)器人的安全性和跌倒防護(hù)過(guò)程中的柔順性，提出基于阻抗-滑?？刂频挠脩?hù)跌倒防護(hù)運(yùn)動(dòng)控制算法。建立用戶(hù)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(hù)跌倒防護(hù)運(yùn)動(dòng)控制算