助行機器人運動控制和安全監(jiān)護策略研究.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）人口比例將會達到33％。老年人護理工作需要占用很大一部分醫(yī)療護理資源，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備十分緊迫。使用機器人技術的助行機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會，提高他們的生活質(zhì)量，這

2、些對于逐步進入老齡化社會的康復保健系統(tǒng)非常重要。本文對助行機器人運動控制和安全監(jiān)護策略進行了研究。針對用戶對助行機器人的安全性和柔順性的要求，提出基于強化學習的共享控制機制和基于多傳感器融合的柔順運動控制算法，增加了助行機器人的柔順性。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，提高了助行機器人的安全性。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴提出一種基于強化學習的智能助行機器人共享控制機制。根據(jù)用戶的控制效率和行走環(huán)境，采用強化學習

3、算法在線調(diào)節(jié)用戶控制權重值。使用共享控制方法根據(jù)用戶控制權重值合成用戶行走意圖速度和助行機器人規(guī)劃速度，得到即能順應用戶意圖，又能保障用戶安全的運動控制。一系列實驗結果證明基于強化學習的共享控制機制能夠在保障安全的情況下，有效保證用戶的運動表現(xiàn)。⑵采用穿戴式傳感設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，對用戶跌倒趨勢進行檢測。當用戶處于正常行走狀態(tài)下時，使用傳統(tǒng)的導納控制算法，當

4、助行機器人檢測到用戶有跌倒趨勢時，立即停止運動，防止用戶跌倒。實驗結果證明用戶跌倒檢測和防護策略的有效性。⑶提出助行機器人多傳感器融合柔順運動控制和安全監(jiān)護方法。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。當用戶處于正常行走狀態(tài)時，采用多傳感器融合技術融合上肢和下肢表現(xiàn)出來的運動意圖速度，得到更加準確，更加柔順的用戶意圖速度。當

5、檢測到跌倒趨勢時，緊急制動機器人。實驗證明該運動控制算法能夠有效增加用戶在操作機器人時的柔順性，并且預測用戶的跌倒趨勢，采取有效的跌倒防護。⑷為了提高助行機器人的安全性和跌倒防護過程中的柔順性，提出基于阻抗-滑?？刂频挠脩舻狗雷o運動控制算法。建立用戶跌倒時的助行機器人動力學模型和阻抗控制模型。結合滑?？刂扑惴?，設計動態(tài)補償器，使機器人系統(tǒng)在到達滑模面的同時實現(xiàn)阻抗控制。Matlab仿真實驗和智能助行機器人實驗證明用戶跌倒防護運動控制算