發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 09:30

【摘要】：隨著年齡的增大,身體機(jī)能逐漸下降,老年人行走變得困難,特別是在人口老齡化加速的背景下,針對如何輔助老年人獨(dú)立行走問題變得尤為重要。近些年,如何使用智能助行機(jī)器人輔助老年人行走的問題成為了國內(nèi)外研究熱點(diǎn)。智能助行機(jī)器人是將機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)輪式助行器相結(jié)合輔助老年人行走的工具。而在智能助行機(jī)器人的研究中,智能助行機(jī)器人的控制策略是助行機(jī)器人能夠更好地輔助用戶行走的關(guān)鍵。針對智能助行機(jī)器人的控制策略問題,本文主要對智能助行機(jī)器人的柔順控制展開研究。助行機(jī)器人柔順控制目標(biāo)是指助行機(jī)器人能夠根據(jù)人機(jī)交互力的變化作出相應(yīng)調(diào)整,從而順從用戶控制。為實(shí)現(xiàn)智能助行機(jī)器人柔順控制,本文考慮將能夠被用戶很好控制的助行器作為參考,通過借鑒模型參考自適應(yīng)控制手段實(shí)現(xiàn)智能助行機(jī)器人的柔順性。本論文主要研究內(nèi)容分為三部分。首先針對本論文所研究的助行機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并根據(jù)助行機(jī)器人結(jié)構(gòu),對助行機(jī)器人進(jìn)行機(jī)理分析,建立了智能助行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)模型和動力學(xué)模型。其中智能助行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模反映了機(jī)器人在空間運(yùn)動位置的變化。智能助行機(jī)器人的動力學(xué)反映了機(jī)器人受力情況與機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài)關(guān)系。為了全面考慮助行機(jī)器受力情況,分析機(jī)器人運(yùn)動狀態(tài),本文將通過三視圖角度分析智能助行機(jī)器人受力情況,最后將動力學(xué)方程整理成拉格朗日標(biāo)準(zhǔn)形式,來描述外部作用力與助行機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)關(guān)系。其次通過在助行器上安裝人-助行器交互信息檢測傳感器,構(gòu)建了助行器數(shù)據(jù)采集平臺,并通過上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互信息與助行器運(yùn)動姿態(tài)信息的監(jiān)測與存儲。最后對人-助行器交互信息進(jìn)行詳細(xì)分析,研究用戶在使用助行器時(shí)的助行器運(yùn)動狀態(tài)變化,以便研究助行機(jī)器人如何運(yùn)動,才能滿足用戶行走需求。最后結(jié)合模型參考自適應(yīng)控制完成智能助行機(jī)器人柔順控制器設(shè)計(jì)。在控制器設(shè)計(jì)過程中,首先對助行器進(jìn)行機(jī)理分析,完成了助行機(jī)器人參考模型建立,然后采用基于梯度法自適應(yīng)律完成控制器設(shè)計(jì),最后對參考模型的正確性以及助行機(jī)器人柔順控制算法的的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)助行機(jī)器人的參考模型具有一定的準(zhǔn)確性,助行機(jī)器人的柔順控制算法也是有效的。
【圖文】：

沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文能力弱的老年人行走非常困難，單手支撐使得穩(wěn)定性比較差，容易摔倒。助行器的使用提高了老年人使用的安全性。助行器又分為傳統(tǒng)助行器和新型智能助行機(jī)器人。助行器即無動力助行器，主要有助行架，前輪型助行架和四輪型助行架如圖 1.1 所示。助行器主要特點(diǎn)是無動力，雖然起到支撐作用，但是助行器的運(yùn)動需要使用者提供驅(qū)動力。另外在行走過程中完成轉(zhuǎn)彎，停止等一系列控制都需要使用者來完成。因此使用者需要有足夠的認(rèn)知能力和注意力來控制這些輔助設(shè)備[6，7]。這對于執(zhí)行功能障礙的老年人來說是一種挑戰(zhàn)，主要因?yàn)樗麄冊谕粫r(shí)間去完成兩件事情是很難的，同時(shí)困擾著他們的還有注意力的轉(zhuǎn)換[6]。另外，由于助行器的輔助行走作用，也因此限制腳的橫向移動的潛力，從而妨礙外側(cè)平衡的穩(wěn)定性，有可能導(dǎo)致摔倒的情況發(fā)生[5，8]。但是傳統(tǒng)助行器完全受用戶控制，即可以根據(jù)用戶主動操作，，達(dá)到用戶期望運(yùn)動。

3根據(jù)以上分析可以看出助行機(jī)器人柔順控制研究對輔助用戶行走具有重要意義。圖1.2 智能助行機(jī)器人Fig.1.2Intelligentwalking-aidrobot1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1 助行機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀Shibata 等設(shè)計(jì)了電動輪椅[9]，如圖 1.3 所示。在該設(shè)計(jì)中，將人推電動輪椅時(shí)的手臂作為一個(gè)虛擬阻尼器，并通過阻抗控制的方法實(shí)現(xiàn)了推輪椅這個(gè)動作時(shí)的柔順性。而 Katsura 等[10]設(shè)計(jì)了反應(yīng)力矩觀測器實(shí)現(xiàn)了對平移和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)方向上的干擾的觀測，并在這兩個(gè)方向上采用將自適應(yīng)力控制，實(shí)現(xiàn)用戶在推動電動輪椅時(shí)的對偶柔順控制。這些主要是針對輪椅機(jī)器人的研究，對能夠完成基本行走的用戶是不方便的。圖 1.3 電動輪椅Fig. 1.3 Electric Wheelchair針對可獨(dú)立使用的助行機(jī)器人的研究，韓國科學(xué)家 Kyoungchul Kong 等研發(fā)了穿戴與輔助行走結(jié)合的助行機(jī)器人[11]
【學(xué)位授予單位】：沈陽工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242

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4 本報(bào)記者 盧e

本文編號：2709338