目前,世界上存在著大量肢體運(yùn)動(dòng)障礙的特殊人群,其下肢沒有運(yùn)動(dòng)能力,無法正常行走或運(yùn)動(dòng),而下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用使他們能重新正常站立、行走,這也極大地改善了他們的身體機(jī)能狀況和生活質(zhì)量。作為以人為中心的人機(jī)協(xié)同智能系統(tǒng),下肢外骨骼機(jī)器人的其首要任務(wù)是理解人的運(yùn)動(dòng)意圖,與人體協(xié)同運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生助行、助力等行為。事實(shí)上,人體運(yùn)動(dòng)過程中的各種信息會(huì)以不同形式反映到不同的狀態(tài)變量上,比如不同的運(yùn)動(dòng)意圖會(huì)以不同形式的腦電信號(hào)體現(xiàn),同時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化會(huì)以關(guān)節(jié)角度、角速度、角加速度和腳底壓力等物理量表現(xiàn)。目前在基于傳統(tǒng)物理傳感器如力、位置、姿態(tài)等的人機(jī)運(yùn)動(dòng)識(shí)別和基于生物信號(hào)如腦電、肌電等的外骨骼機(jī)器人控制方面已經(jīng)取得了一些成果。但在融合多模態(tài)傳感器信息進(jìn)行意圖識(shí)別、視覺輔助的機(jī)器自主決策、人的智能和機(jī)器自主決策融合決策等方面的研究目前開展的較少,尤其在融合環(huán)境信息方面。為充分發(fā)揮大腦信號(hào)的快速、全局性,物理信號(hào)的持續(xù)、魯棒性以及機(jī)器視覺的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確性,本文進(jìn)行了基于多模態(tài)傳感器信息的人-機(jī)-環(huán)境融合控制策略研究,具體包括以下幾個(gè)方面:(1)在獲取多模態(tài)人-機(jī)-環(huán)境交互狀態(tài)信息方面,將機(jī)器視覺技術(shù)引入下肢外骨骼機(jī)器人,為機(jī)器人系統(tǒng)提供行走環(huán)境的視覺反饋。為充分挖掘單一類型傳感器深層次特征,采用了多種算法對(duì)單一模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了特征提取與識(shí)別。通過人機(jī)系統(tǒng)上安裝的足底壓力傳感器、關(guān)節(jié)角度傳感器、深度攝像機(jī)、腦電信號(hào)采集儀等多種傳感器,研究了基于足底壓力傳感器的足底觸地識(shí)別、基于下肢關(guān)節(jié)角度傳感器的步態(tài)相位與機(jī)器人狀態(tài)識(shí)別、基于深度攝像機(jī)的水平地面物體尺寸識(shí)別、基于腦機(jī)接口的行走過程中跨越意圖識(shí)別等。(2)建立基于多模態(tài)信息的多層次融合決策機(jī)制,提出了融合足底壓力、關(guān)節(jié)角度、環(huán)境信息、人的主觀意圖等多模態(tài)信息的下肢外骨骼機(jī)器人控制策略。研究了基于足底壓力傳感器和下肢關(guān)節(jié)角度傳感器的人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)融合識(shí)別;基于人機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)意圖與地面環(huán)境信息的機(jī)器自主決策融合;基于人的高級(jí)運(yùn)動(dòng)意圖與機(jī)器自主決策的高級(jí)決策融合。通過融合人機(jī)系統(tǒng)狀態(tài)與行走環(huán)境信息,建立了下肢外骨骼機(jī)器人自主決策機(jī)制。機(jī)器人在面對(duì)不同障礙物時(shí)融合人的意圖與機(jī)器自主決策,根據(jù)環(huán)境信息做出實(shí)時(shí)規(guī)劃調(diào)整,平均任務(wù)正常完成率可達(dá)82.2%,確保了人機(jī)系統(tǒng)的安全可靠性,同時(shí)極大提高了人機(jī)系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜行走環(huán)境的適應(yīng)能力。(3)在面向人-機(jī)-環(huán)境融合的步態(tài)規(guī)劃方面進(jìn)行了多種研究。為提升人機(jī)融合性能,研究了基于長(zhǎng)短時(shí)記憶遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的離線步態(tài)軌跡擬合和基于身體特征參數(shù)的離線個(gè)性化步態(tài)模式生成;為提高人-機(jī)-環(huán)境的適應(yīng)能力,研究了基于人機(jī)融合決策的在線參數(shù)化步態(tài)軌跡規(guī)劃方法。通過將人的決策與機(jī)器自主決策融合,初步實(shí)現(xiàn)了人-機(jī)-環(huán)境融合的步態(tài)規(guī)劃方法,使得下肢外骨骼機(jī)器人在適應(yīng)穿戴者步態(tài)模式、適應(yīng)不同行走環(huán)境方面有了極大的提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在面對(duì)復(fù)雜行走環(huán)境時(shí),人機(jī)系統(tǒng)能在基于機(jī)器視覺傳感器和人機(jī)狀態(tài)傳感器等多模態(tài)信息的輔助下,以人的主觀意圖為主,基于人機(jī)融合決策規(guī)劃出人-機(jī)-環(huán)境相宜的步態(tài)模式,從而使人機(jī)系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠的完成行走任務(wù),這也表明了下肢外骨骼機(jī)器人多模態(tài)人-機(jī)-環(huán)境信息融合控制策略的有效性。
【學(xué)位單位】：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)位年份】：2018
【中圖分類】：TP242
【部分圖文】：

-環(huán)境相宜的步態(tài)模式，從而使人機(jī)系統(tǒng)能在復(fù)雜地面環(huán)境下安全、可靠的行走，其系統(tǒng)框架如圖1.2。這樣才能充分利用人-機(jī)-環(huán)境交互過程中表現(xiàn)出來的多模態(tài)信息，發(fā)揮生物信號(hào)的全局、主動(dòng)性，物理信號(hào)的持續(xù)、魯棒性，及機(jī)器視覺的快速、準(zhǔn)確性等優(yōu)勢(shì)，使得下肢外骨骼機(jī)器人能更高效的為穿戴者提供助行、助力等功能，并能適應(yīng)復(fù)雜行走環(huán)境。1.2研究現(xiàn)狀下肢外骨骼機(jī)器人的研究經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，目前已經(jīng)取得了豐碩的成果，其完美的將人的智力與機(jī)器人的體力結(jié)合在一起，充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于軍事、救災(zāi)等領(lǐng)域幫助穿戴者負(fù)重行走[28][29][30]，以及助老、康復(fù)等領(lǐng)域幫助老年人、殘疾人等助力行走，其中在康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多家高科技企業(yè)推出多樣化的外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品或企業(yè)已上市

功能[31]，已有的部分樣機(jī)結(jié)果如圖1.3。隨著全球人口老齡化日益嚴(yán)重、發(fā)達(dá)國(guó)家勞動(dòng)力缺失等問題，歐美、日本等國(guó)家都對(duì)各種輔助機(jī)器人的研究表現(xiàn)出極大的興趣[32]。美國(guó)Berkeley Bionics公司以HULC下肢外骨骼機(jī)器人模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了eLegs（Ekso）康復(fù)助行外骨骼系統(tǒng)[33]，目前已經(jīng)應(yīng)用于部分康復(fù)訓(xùn)練中心。由瑞士工程師杰里·科倫坡發(fā)明的Lokomat是針對(duì)下肢癱瘓患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的外骨骼機(jī)器人，主要用于對(duì)脊髓損傷、腦卒中及其它神經(jīng)損傷患者的康復(fù)治療。日本筑波大學(xué)開發(fā)的HAL系列下肢運(yùn)動(dòng)輔助外骨骼[34]，是目前研究較為成熟的下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)可通過皮膚表面能檢測(cè)到下肢肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)，然后通過處理后用于下肢外骨骼機(jī)器人的控制。最新推出的樣機(jī)HAL-5是一款半機(jī)器人系統(tǒng)，可以協(xié)助穿戴者完成基本的站立、行走、上下樓梯等動(dòng)作。ReWalk外骨骼機(jī)器人[35]是以色列“埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)”（Argo Medical Technologies）公司阿密特·戈夫爾（Amit Goffer）主持研究的一套康復(fù)醫(yī)療下肢助力外骨骼機(jī)器人

國(guó)內(nèi)康復(fù)助行外骨骼機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)的研究起步較晚，但近年來受到國(guó)家科技計(jì)劃支持、巨大市場(chǎng)需求等影響，已經(jīng)有多家研究機(jī)構(gòu)、高校、企業(yè)等開始從事康復(fù)、助行下肢外骨骼機(jī)器人的研究，并且取得了許多成果，部分樣機(jī)如圖1.4。電子科技大學(xué)開發(fā)的外骨骼機(jī)器人AIDER系統(tǒng)通過多種傳感器來感知人體運(yùn)動(dòng)意圖，如站立、坐下或行走等，采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)快速處理后通過控制模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在智能鞋、腰部支撐及綁縛附件等輔助下為穿戴者提供助力行為。目前該樣機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)助行、康復(fù)訓(xùn)練和助力功能[37][38]。浙江大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了四自由度穿戴式下肢步行外骨骼機(jī)器人。該系統(tǒng)包括減重機(jī)構(gòu)、腰部機(jī)構(gòu)、下肢助行機(jī)構(gòu)及跑步機(jī)四部分組成。針對(duì)下肢活動(dòng)能力不同的患者，分別制定了被動(dòng)步態(tài)位置訓(xùn)練控制策略、半主動(dòng)步態(tài)訓(xùn)練軌跡自校正控制策略及主動(dòng)步態(tài)力矩-位置自適應(yīng)控制策略[39][40][41]。中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院科研團(tuán)隊(duì)于2012年啟動(dòng)截癱助行下肢外骨骼機(jī)器人研究試制工作，開發(fā)了輕便安全有效的下肢助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)，樣機(jī)采用閉環(huán)控制架構(gòu)、有自適應(yīng)步態(tài)模式學(xué)習(xí)能力，并且具備坐姿穿戴、起立、行走、坐下等功能，完成了多例截癱患者助行實(shí)驗(yàn)，目前正與珠三角數(shù)家醫(yī)院合作，進(jìn)行患者穿戴臨床試驗(yàn)[42][43][44][45]。在下肢外骨骼機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)內(nèi)很多企業(yè)做出了許多貢獻(xiàn)。大艾機(jī)器人推出了面向不?
【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 丁寧;;人機(jī)共生時(shí)代的機(jī)器人設(shè)計(jì)與探索[J];機(jī)器人產(chǎn)業(yè);2018年06期

2 牛檢偉;;庫卡機(jī)器人在高鐵彈條生產(chǎn)線的應(yīng)用[J];鄭鐵科技;2012年04期

3 浙江大學(xué)工業(yè)控制技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人團(tuán)隊(duì);;爬行與行走機(jī)器人及移動(dòng)機(jī)器支撐技術(shù)[J];國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài);2016年04期

4 曹東;田富洋;宋占華;閆銀發(fā);李法德;蔡占河;;AMR果蔬自動(dòng)收獲機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模與實(shí)時(shí)控制[J];農(nóng)機(jī)化研究;2018年02期

5 楊存志;吳澤全;郭洋;;擠奶機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];農(nóng)機(jī)化研究;2018年04期

6 苗玉剛;文家雄;尹藝澄;;多功能清潔機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制[J];機(jī)械制造;2018年02期

7 梁萬前;;我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀研究[J];山東工業(yè)技術(shù);2018年10期

8 王智龍;楊萌;劉兵;;一種新型多足對(duì)稱機(jī)器人的研究[J];內(nèi)燃機(jī)與配件;2018年08期

9 ;機(jī)器人教育普及進(jìn)行時(shí)[J];機(jī)器人產(chǎn)業(yè);2018年03期

10 全權(quán);王帥;;詳解機(jī)器人基礎(chǔ)入門知識(shí)[J];機(jī)器人產(chǎn)業(yè);2018年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 劉清宇;四足機(jī)器人奔跑步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性與控制方法研究[D];華中科技大學(xué);2017年

2 姚芝鳳;室內(nèi)環(huán)境下多機(jī)器人協(xié)調(diào)探索算法研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

3 劉篤信;下肢外骨骼機(jī)器人多模融合控制策略研究[D];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);2018年

4 紀(jì)鵬;移動(dòng)偵測(cè)機(jī)器人的人機(jī)交互與局部自主關(guān)鍵技術(shù)研究[D];東南大學(xué);2017年

5 高勝男;面向家庭服務(wù)機(jī)器人的中文指令處理研究[D];燕山大學(xué);2017年

6 劉志民;水下球形探測(cè)機(jī)器人自主運(yùn)動(dòng)控制研究[D];北京郵電大學(xué);2018年

7 王麗佳;基于多特征融合的機(jī)器人目標(biāo)跟蹤算法研究[D];北京工業(yè)大學(xué);2017年

8 張慧;基于軟驅(qū)動(dòng)器的軟體飛行器的研究[D];東南大學(xué);2018年

9 劉策越;面向快速測(cè)試進(jìn)化形態(tài)的模塊化機(jī)器人研究[D];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京);2018年

10 何永義;基于視窗平臺(tái)的機(jī)器人控制技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[D];上海大學(xué);2001年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 宋夢(mèng);基于功能學(xué)派翻譯理論的英漢翻譯報(bào)告[D];西安理工大學(xué);2018年

2 周建浩;用于物流中心的快件自動(dòng)分揀機(jī)器人的研究[D];華北理工大學(xué);2018年

3 王秀馨;管道檢測(cè)機(jī)器人的過彎控制研究[D];華北理工大學(xué);2018年

4 劉帥;設(shè)施蔬菜病害自動(dòng)預(yù)警機(jī)器人技術(shù)研究[D];寧夏大學(xué);2018年

5 呂慶明;樹莓派狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

6 張皓天;移動(dòng)機(jī)器人人機(jī)交互與運(yùn)動(dòng)控制研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2018年

7 魏菊香;柔性自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)研發(fā)[D];華南理工大學(xué);2017年

8 李婉玲;老人陪護(hù)機(jī)器人的語音交互技術(shù)研究[D];江南大學(xué);2018年

9 高綠洲;基于ROS的教育機(jī)器人室內(nèi)視覺定位模塊研究[D];華中師范大學(xué);2018年

10 張文輝;基于機(jī)器視覺的機(jī)器人分揀系統(tǒng)研究[D];西安建筑科技大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2886019