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

1、隨著年齡的增長，老年人的行走能力逐漸下降，這不僅僅會影響他們的日常生活，更會降低他們的生活質(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，據(jù)估計到2050年，老年人（年齡超過60）人口比例將會達(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，讓他們重新獲得獨立的機(jī)會，提高他們的生活質(zhì)量，這

2、些對于逐步進(jìn)入老齡化社會的康復(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)動控制。一系列實驗結(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)動表現(xiàn)。⑵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（COP）和雙腳中點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，使用傳統(tǒng)的導(dǎo)納控制算法，當(dāng)

4、助行機(jī)器人檢測到用戶有跌倒趨勢時，立即停止運(yùn)動，防止用戶跌倒。實驗結(jié)果證明用戶跌倒檢測和防護(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)動意圖速度，使用基于卡爾曼濾波的序貫概率比檢驗法（SP RT）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，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)動意圖速度，得到更加準(zhǔn)確，更加柔順的用戶意圖速度。當(dāng)

5、檢測到跌倒趨勢時，緊急制動機(jī)器人。實驗證明該運(yùn)動控制算法能夠有效增加用戶在操作機(jī)器人時的柔順性，并且預(yù)測用戶的跌倒趨勢，采取有效的跌倒防護(hù)。⑷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-滑模控制的用戶跌倒防護(hù)運(yùn)動控制算法。建立用戶跌倒時的助行機(jī)器人動力學(xué)模型和阻抗控制模型。結(jié)合滑模控制算法，設(shè)計動態(tài)補(bǔ)償器，使機(jī)器人系統(tǒng)在到達(dá)滑模面的同時實現(xiàn)阻抗控制。Matlab仿真實驗和智能助行機(jī)器人實驗證明用戶跌倒防護(hù)運(yùn)動控制算