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载人两足步行椅机器人稳定性分析与控制策略

唐矫燕  
【摘要】:近年来,助老助残的服务机器人研究迅速发展,取得了显著的成就。其中载人两足步行机器人是研究的热点之一。载人两足步行机器人的研究与应用为下肢残疾人提供了一种新的选择,与传统的轮椅相比较,其对活动空间环境的适应力更强,比如能够更好的实现上下楼梯和倾斜路面的行走。载人两足步行机器人具有安全性要求高、载荷大以及乘客运动干扰不可控等特点,因此其步态稳定性要求比传统的非载人两足步行机器人要求更高。要完成安全稳定的载人行走任务,就必须提取乘客的有效信息,分析人体的能动性(即干扰)对载人两足步行机器人系统步态稳定性的影响,这是保证载人步行系统绝对安全的必要条件。 基于现有的两足机器人及其步态稳定性研究的基础,以一种12自由度的载人两足步行椅机器人JWCR为平台,进行了载人两足步行椅机器人步态稳定的分析与仿真实验。引入“人在环中”系统的概念,即系统中子操控人员根据从设备和环境中获得的信息做出判断,控制设备完成运动任务,同时系统考虑子操控人员对设备运动的干扰,从而对控制信号进行实时反馈和修正的系统。考虑到乘客对机器人步态稳定的影响,对机器人数学建模、步态规划、稳定性分析以及步态实时控制策略进行了研究。主要的研究内容包括以下几个方面。 1)介绍了载人两足步行椅机器JWCR的主要特点:关节采用结构紧凑、计算简便的正交型结构;膝关节附设自锁装置;坐垫下增设了被动悬挂式减震装置;增设了主被动安全保护装置。 2)对载人两足步行椅机器人正运动模型和逆运动模型进行了分析。考虑到这是一个“人在环中”的系统,首先建立了步态规划的前向运动八连杆模型和侧向运动六连杆模型,并应用拉格朗日方程建立了步行椅机器人的动力学模型。 3)基于零力矩点(ZMP)判据对“人在环中”的两足步行椅机器人的步态进行了规划,并分析了步态的稳定性,包括起步、中步和停步阶段的前向和侧向步态。对步行椅机器人的离散步态进行了matlab仿真实验。实验结果证明所提出的规划方法是合理可行的。 4)研究分析了作为干扰源的乘客其波动参数对步行椅机器人步态稳定性的影响。包括乘客身高体重以及身体摆动等物理参数对步行运动参数的影响。 5)建立了“人在环中”的步行椅机器人实时控制模型,并提出了实时步态控制方法。探讨了基于步态局部调整的稳定性控制和乘客主动补偿控制相结合的控制方法,并给出了对人体运动进行稳定补偿的策略。 上述的研究获得国家自然科学基金项目“载人两足步行椅机器人步态稳定性及其控制技术研究”(60575049)的资助。


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