【摘要】：近年我國(guó)國(guó)家民政部公布了《2016年社會(huì)服務(wù)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》,報(bào)告顯示截至2016年底全國(guó)60歲及以上老年人口已達(dá)2.3億人,占總?cè)丝诘?6.7%,我國(guó)已經(jīng)是全世界老年人口最多的國(guó)家。隨著年齡的增大身體機(jī)能的衰退會(huì)導(dǎo)致行動(dòng)不便,因?yàn)槠渌膊〉脑驅(qū)е律现珶o(wú)力的人數(shù)量也日益增多。老年人數(shù)量急劇增加使我國(guó)快速步入老年社會(huì),面向全社會(huì)助老助殘的問(wèn)題已經(jīng)引起了國(guó)家的高度重視并已出臺(tái)相關(guān)的政策。輪椅是目前使用較多的一種助老助殘工具,隨著科技的迅速發(fā)展近年出現(xiàn)的智能輪椅是一種典型的可以幫助行動(dòng)不便人群的智能服務(wù)機(jī)器人,目前大部分的截癱患者或行動(dòng)不便的老人是借助輪椅以實(shí)現(xiàn)生活自理,能夠使用一種輔助器具幫助他們重新站立、行走起來(lái)是他們的一個(gè)最大愿望。外骨骼機(jī)器人是近年興起的一種新型的可穿戴的智能機(jī)器人,穿戴者和外骨骼機(jī)器人需要融為一體進(jìn)而輔助工作,理想狀態(tài)下外骨骼機(jī)器人就像是我們身體內(nèi)的骨骼一樣提供支撐及力量。通過(guò)穿戴合適的外骨骼機(jī)器人可以幫助穿戴者正常站立行走或者提高四肢運(yùn)動(dòng)性能,大大地提升穿戴者的肢體機(jī)能力量或者節(jié)省部分的力量來(lái)完成日常的部分工作。這既可以極大地改善了患者的身體機(jī)能,還可以有效改善患者心理狀態(tài),緩解抑郁癥等,讓他們重拾生活的信心,極大地提高患者及老年人的生活質(zhì)量。由于外骨骼機(jī)器人與穿戴者之間存在一種耦合性非常高的關(guān)系,從系統(tǒng)控制的角度來(lái)說(shuō)兩者并非獨(dú)立的個(gè)體,因?yàn)橥夤趋罊C(jī)器人與穿戴者有著緊密的聯(lián)系,在理想的狀態(tài)下外骨骼機(jī)器人需要在極短的時(shí)間內(nèi)讀取各種信號(hào)并準(zhǔn)確地判斷穿戴者的真實(shí)的運(yùn)動(dòng)意圖,然后基于先驗(yàn)信息及意圖估計(jì)做出相應(yīng)的決策�；趥鹘y(tǒng)的物理傳感信號(hào)的控制策略相對(duì)比較成熟且具有很多的優(yōu)點(diǎn),近年在較多科研機(jī)構(gòu)所研究的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中被廣泛采用。但由于該類傳感器信號(hào)具有一定的時(shí)滯性,傳感數(shù)量需求較多,而外骨骼機(jī)器人的目標(biāo)穿戴者大部分是肢體缺乏力量的,現(xiàn)有的控制手段難以實(shí)現(xiàn)自由行走等運(yùn)動(dòng)功能。而相對(duì)于物理信號(hào),基于腦電和肌電等介入式生物信號(hào)則可以更迅速地反應(yīng)出穿戴者的運(yùn)動(dòng)意圖,所以近年來(lái)腦電和肌電等介入式生物信號(hào)也成為外骨骼機(jī)器人及其它穿戴式人機(jī)交互領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了一些可用于脊髓損傷患者康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人系統(tǒng)。但是將肌電、腦電等生物信號(hào)與力、位置等物理反饋信號(hào)融合,以期更好地對(duì)人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)進(jìn)行判定的研究尚未取得突破性的成果,需要科研工作者繼續(xù)加大力度進(jìn)行研究。本文針對(duì)現(xiàn)有的四種典型的外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中存在的多個(gè)共性關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題開(kāi)展了深入研究,主要的研究成果與貢獻(xiàn)如下:(1)針對(duì)現(xiàn)有四個(gè)典型應(yīng)用場(chǎng)景的外骨骼機(jī)器人優(yōu)劣性進(jìn)行對(duì)比分析,提出了四個(gè)場(chǎng)景都亟需攻關(guān)突破的技術(shù)難題。從人體工學(xué)的角度分析了面向全身助力外骨骼機(jī)器人的特性需求并提出了基于柔性傳動(dòng)的助力全身外骨骼機(jī)器人的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)指標(biāo),基于人體四肢的生理學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)外骨骼機(jī)器人進(jìn)行了關(guān)節(jié)布置與自由度分配,設(shè)計(jì)了一種基于新型柔性傳動(dòng)的全身助力型外骨骼機(jī)器人。這種基于柔性傳動(dòng)的外骨骼機(jī)器人新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極大地降低了外骨骼機(jī)器人傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度及設(shè)計(jì)難度,提出了把驅(qū)動(dòng)單元放置在機(jī)器人的控制背包里新方案,避免把驅(qū)動(dòng)單元直接放置在關(guān)節(jié)上或者通過(guò)多種復(fù)雜混合傳動(dòng)方式傳遞電機(jī)的扭矩,這種全新的方案使得全身外骨骼機(jī)器人的本體設(shè)計(jì)更加緊湊精致,有效降低外骨骼機(jī)器人的體積和重量。(2)本文基于Denavit-Hartenberg方法建立了全身助力外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,也建立了人體四肢位姿與基于柔性傳動(dòng)的助力全身外骨骼機(jī)器人的位姿映射,分別針對(duì)外骨骼機(jī)器人上下肢推導(dǎo)了正常步態(tài)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。還研究了外骨骼機(jī)器人動(dòng)力系統(tǒng)的部分重要參數(shù)及性能以保障系統(tǒng)的能力及穩(wěn)定性。最后基于Adams運(yùn)動(dòng)仿真軟件環(huán)境計(jì)算了在平地行走步態(tài)周期中外骨骼機(jī)器人重心、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)等重要部位在關(guān)鍵時(shí)刻驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的交互力、力矩及角度變化等重要參數(shù),揭示了各步態(tài)參數(shù)如步行速度、負(fù)載重量和地形坡度等因素對(duì)驅(qū)動(dòng)力的影響規(guī)律。仿真結(jié)果給外骨骼機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、步態(tài)規(guī)劃以及機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作提供了有效的參考依據(jù)。(3)本文以改進(jìn)基于人體機(jī)理的外骨骼機(jī)器人動(dòng)作及步態(tài)測(cè)量技術(shù)為目的,挖掘人體八類常見(jiàn)的動(dòng)作中四肢所蘊(yùn)含的深層動(dòng)作及步態(tài)特征信息,對(duì)人體動(dòng)作及步態(tài)測(cè)量與特征提取的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。文中建立了兩種不同類別的動(dòng)作及步態(tài)信息采集系統(tǒng),并基于上述的兩個(gè)步態(tài)采集系統(tǒng)建立了大約30人的八類動(dòng)作及其步態(tài)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù),提出了三種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能方法對(duì)文中所定義的八類動(dòng)作及步態(tài)的時(shí)序信號(hào)進(jìn)行深入研究分析,完成了三種基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法的動(dòng)作及步態(tài)作特征提取與分類方法實(shí)驗(yàn),并對(duì)所得到結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,基于對(duì)比結(jié)果提出了對(duì)全身外骨骼機(jī)器人的動(dòng)作及步態(tài)識(shí)別方法和建議。文中還提出了一種了基于多層感知機(jī)算法的自動(dòng)識(shí)別最匹配的個(gè)性化步態(tài)方法。相關(guān)工作為進(jìn)一步簡(jiǎn)化動(dòng)作及步態(tài)的非視覺(jué)測(cè)量方法、改進(jìn)步態(tài)評(píng)估效果提供了理論支持,為最終實(shí)現(xiàn)基于柔性傳動(dòng)的助力全身外骨骼機(jī)器人的人機(jī)耦合控制打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。(4)文中提出了一種基于多場(chǎng)景切換的外骨骼機(jī)器人控制策略,針對(duì)外骨骼機(jī)器人日常工作中復(fù)雜的外界輸入以及具有高度非線性系統(tǒng)的外骨骼控制算法等難題為外骨骼機(jī)器人建立了簡(jiǎn)單且高效的傳感器系統(tǒng)�；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤咸岢隽艘环N新型的外骨骼動(dòng)作及步態(tài)智能控制策略并建立參數(shù)化的操控模型,通過(guò)深度逆向強(qiáng)化學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人與人及環(huán)境三者相結(jié)合的自適應(yīng)操控方式。然后機(jī)器人控制器基于優(yōu)化的控制策略指導(dǎo)控制系統(tǒng)的執(zhí)行并利用局部的動(dòng)作規(guī)劃器進(jìn)行動(dòng)作及步態(tài)規(guī)劃。本文還提出了一種精確步態(tài)、動(dòng)作規(guī)劃方法以及一種基于穩(wěn)定閾度分析的康復(fù)外骨骼動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)規(guī)劃方法,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證文中提出的策略算法的有效性,最終實(shí)現(xiàn)復(fù)雜混合場(chǎng)景中基于柔性傳動(dòng)的助力全身外骨骼機(jī)器人的人機(jī)共融自動(dòng)操控。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

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4 桑宏強(qiáng);許麗萍;，

本文編號(hào)：2581756