下肢康复机器人及其交互控制方法分析

本文主要分析了下肢康复机器人,在此基础上讲解了下肢康复机器人及其的交互控制方法,希望可以为有关人员提供一定的参考和帮助。     

利用姿态传感器多点位控制机器人交互方法

由于已有机器人交互方法的人体姿态识别结果不准确，导致操作完成时间和误差上升。为了降低识别误差、缩短操作完成时间，研究了利用姿态传感器进行多点位控制机器人交互方法。为了准确识别人体部件，利用构建的检测器选取身体躯干候选点。同时兼顾人体部件的位置和方向，获取最优区域，完成人体姿态识别。在上述基础上，设计了机器人交互多点位操作系统，实现了通过姿态及语音远程控制机器人的目的。采用姿态传感器及时反馈机械臂的工作状态和周边的虚拟现实环境，最终实现机器人交互多点位操作控制。实验结果表明，所设计系统能够准确识别人体姿态信息，实现了降低操作完成时间和误差的目的。     

面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法

在进行快速拆装任务时,模块化机器人既要有较高的伺服刚度与结构强度,又要对接触物体表现出一定的顺从特性,为此,提出一种面向快速拆装的模块化机器人柔顺控制方法。分析机器人拆装时的正逆向运动学,获取末端执行器与基座间的总坐标转换形式,以及对应关节的旋转角度,调整模块力的反馈作用,令阻抗与导纳趋于动态均衡。基于机器人与外界环境间作用力,建立模块阻抗关系,推算柔顺控制规律,利用设计的自适应柔顺控制模型,取得期望控制力,令模块到达期望位置。实验测试中,使机器人模块随实验人员手部移动,跟随运动轨迹表明,其能够较好地适应手部给予的未知力,各方向上的跟随速度与作用力拟合情况以及零件实际装配结果较为优越,具备良好的控制稳定性,且满足快速拆装时的柔顺控制基本需求。     

外骨骼机器人体感交互控制与仿真

为使外骨骼机器人应用于康复训练时,其动作控制更便捷且符合人体运动习惯,建立了一种通过Kinect体感设备实现外骨骼机器人体感交互的运动控制方法。通过Kinect获取人体骨架关节点,构建空间向量,依据人体坐标系对上肢肩、肘关节运动角度进行分解计算,获取体感控制角度。采用卡尔曼滤波算法对角度数据进行平滑处理,改善角度数据的稳定性和实时性,并通过限速和限幅处理,确保运动的安全性。最后,将角度数据组传递到基于Lab VIEW建立的外骨骼模型,进行实时控制,根据外骨骼模型的运动效果,验证了数据计算与处理的正确性和可靠性,为建造物理样机奠定基础。     

WT轮椅机器人攀爬楼梯过程动力学建模与控制

分析出WT轮椅机器人与楼梯环境相互作用的特点,归纳出攀爬过程中轮椅机器人可能出现的模式和确定所处模式的判据。针对WT轮椅机器人较复杂且带有完整约束的混联机构,提出了具有对称的独立广义坐标和对称的完整约束的机构化简定理和一种设计完整或非完整机器人系统控制律的思路,给出了WT轮椅机器人在攀爬楼梯过程中各模式下的Lagrange动力学方程以及保持轮椅座椅水平的各关节广义坐标的规划轨迹,并结合计算力矩法设计出WT轮椅机器人的主动张紧力控制,即在对各关节变量参考输入曲线跟踪的同时,实现了对完整约束的约束反力参考输入曲线的跟踪。最后应用Matlab中的STATEFLOW模块对WT轮椅机器人攀爬楼梯过程的动力学模型和控制律进行仿真,并通过样机试验验证其有效性。     

面向编队控制的机器人随机障碍群环境建模方法

环境感知是多机器人编队控制研究中基础而又重要的问题,针对多移动机器人编队控制研究中涉及到的编队机器人的环境感知与建模问题,提出了一种基于2-D激光测距仪的随机障碍群环境建模方法。该方法将机器人携带的传感器获得的数据信息以极坐标矢量图的形式存储,并将机器人工作空间内的环境建模为随机数量的障碍群,节省了环境信息的存储量,提高了机器人响应的实时性。     

面向图像匹配的基础矩阵估计改进算法

为实现智能制造中机器人搬运时的目标物体快速准确识别,提出了一种面向图像匹配的基础矩阵估计改进算法。为获取准确的匹配点,精选并集成了多种方法,并应用亚像素级Harris角点检测方法进行匹配点提取,基于差分求和定理改进的归一化互相关算法进行粗匹配,并采用快速聚类法进行匹配点提纯。在此基础上,通过引入统计学中的分块随机抽样法对匹配点进行优选,实现对常用的基础矩阵估计算法——Hartley8点法的改进。并以标准图像为实验对象,平均对极距离为评价指标对所提算法与其他常用方法进行了比较。最后,进行了实际目标的图像匹配和定位实验,验证了所提算法在匹配速度与匹配精度方面的有效性。     

融入可控阻尼的康复机器人自适应交互控制

针对外骨骼康复机器人的人机交互柔顺控制,以肩-肘二自由度上肢康复机器人为研究对象,提出一种融入可控阻尼的内外环嵌套式自适应阻抗控制方法,同步实现关节轨迹的超调量抑制和变强度训练。首先,通过磁流变阻尼器与关节电动机并联输出的结构模式,将电磁阻尼力矩引入康复机器人的动力学方程,进而设计关节轨迹跟踪器作为内环控制器,该控制器以关节角速度和角加速度作为输入,实时计算调整阻尼力矩的励磁电流值和关节力矩增益系数,实现超调量抑制。其次,利用Lyapunov函数设计自适应轨迹生成器作为外环控制器,该控制器以交互力、关节角速度及角加速度作为输入,实时计算并修正期望轨迹,通过调节对抗模型的刚度参数,实现对人机交互力的自适应和变强度训练。数值仿真实验结果表明,与未引入可控阻尼的控制方法相比,肩、肘关节的超调量下降率分别优于96.2%、97.5%,且只需调整刚度参数即能实现变强度训练,验证了所提方法的可行性与有效性。     

控制受限下双臂空间机器人的改进反馈控制方法

针对实际双臂空间机器人控制系统的驱动输入控制力矩受限的情况下,提出了一种改进位置输出反馈的轨迹跟踪控制算法。通过引入一阶线性滤波器,设计一种基于速度估计的位置输出的控制算法,该控制算法以伪速度信号来代替真实速度,避免测量速度带来的误差。在此基础上,引入饱和反正切函数设计一种新型的改进位置输出反馈的有界控制器,以实现系统控制输入力矩的受限。通过对基座姿态受控、位置不受控的漂浮基双臂空间机器人系统进行仿真,验证了所提出的改进反馈控制方法的有效性。     

面向人机交互的手势指向估计方法

针对人机共融环境中机器人与人之间的交互问题,提出了一种面向人机交互场景的手势指向估计方法,通过人体指向手势,以实现机器人对工作平面上指向目标点的信息交互。首先,基于RGB-D相机与VICON人体动作捕捉系统,构建时间同步的视觉指向手势位姿数据集,其中的每个样本包含人体指向手势的RGB-D图像和指向手势的位姿真值;其次,提出融合语义与几何信息的指向手势位姿估计多层次神经网络模型;然后,设计融合位置点误差ΔP和方向角度误差Δθ的射线近似损失函数,并基于构建的数据集,对指向手势位姿估计模型进行训练;最后,在实验室环境中进行了人机交互实验与模型验证。实验结果表明,在距离相机5 m的范围内,指向手势检测的平均精度为98.4%,指向手势位姿的平均位置误差为34 mm,平均角度误差为9.94°,进而实现工作平面上的手势指向目标点的平均误差为0.211 m。     

面向直接示教的机器人零力控制

提出基于力矩控制的零力控制方法应用于机器人直接示教。针对机器人连杆重力矩和关节摩擦力矩难以直接建模计算,分析机器人关节力矩与连杆自重、关节位姿、负载大小、库仑摩擦力、黏滞摩擦力等因素的关系,提出基于自测量的重力矩及摩擦力矩计算方案,并给出重力矩、摩擦力矩求解所需参数的具体测量方案。在自行研制的直流电动机驱动机器人样机上验证所研究补偿算法,力矩补偿效果明显。与现有基于位置控制的零力控制方法相比,该方法无需多维力传感器,系统简洁、成本低、示教灵活,为各类运动轨迹复杂的机器人示教开辟了新途径。     

面向在轨服务的机器人遥操作双边控制

为解决随机分布时延对双边遥操作系统稳定性的影响,将马尔可夫跳变参数技术应用到时延建模中.首先将遥操作系统的一般方程转化为状态空间描述形式;针对时延的随机分布特征,建立了时延分布的马尔可夫跳变模型;在此基础上,利用线性矩阵不等式方法,构建r系统的时延独立稳定性定理,并用李雅普诺夫函数方法进行了证明;最后,在两种马尔可夫概...     

体能训练机器人操作臂交互轨迹规划方法

体能训练机器人操作臂的力方向可操作度直接影响着运动轨迹规划精度。基于此,研究了体能训练机器人操作臂交互动态轨迹规划方法,分析体能训练机器人操作臂的力方向可操作度,利用多维支持向量机代替高斯混合模型,在李雅普洛夫第二方法的基础上确定稳定性约束条件,构建基于支持向量机的轨迹规划模型,实现体能训练机器人操作臂交互动态轨迹规划。实验结果表明,所提方法的角位移更小、噪声识别值和超参数更高,验证了所提方法轨迹规划弹性规划能力较好且轨迹规划精度较高。     

面向机器人路径规划的改进粒子群算法

针对复杂地图环境下的机器人路径规划问题提出一种聚类融合交叉粒子群算法,以避免传统粒子群算法(Parti-cle Swarm Optimization,PSO)容易陷入早熟且搜索精度差的问题.首先,根据粒子的适应度值对粒子进行k均值聚类,使较多的良性群体极值位置得到保存,从而增强粒子的探索能力;其次,用交叉、变异算子增加粒子多样性,避免在迭代前期粒子陷入早熟导致算法停滞;然后,采用自适应粒子群参数设置,减少粒子走入局部最优概率.最后,对比不同复杂度的地图算例结果发现,改进后的算法最终在安全避开障碍物的同时,具有搜索精度高、稳定性好且路径更优的效果,在路径规划上具有一定的实用价值.     

基于激光SLAM技术的电力巡检机器人交互控制

提出基于激光SLAM技术的电力巡检机器人交互控制方法,利用激光SLAM技术在地图模型、运动学模型、里程计观测模型以及多传感器观测模型的基础上绘制机器人的巡检地图,通过Dijkstra算法根据巡检地图获得最短巡检路径,并采用DWA滑动窗口法对选取的巡检路径进行评分,选择评分最高的路径作为机器人的巡检路径,完成电力巡检机器人的交互控制。实验结果表明,所提方法的避障效果好、路径规划效果好、控制精度高。     

可用脑电波控制的轮椅

日本丰田汽车公司日前宣布，该公司成功研发出了一种可以用脑电波控制轮椅的新技术。使用这种轮椅的残疾人无需动用肌肉力量或是发出声音指令，即可让轮椅载着自己行动自如。     

面向电动公交车的充电机器人感知与控制

为实现机器人插接充电枪为电动公交车充电,研究充电机器人感知与控制系统.机器人通过激光测距仪和眼在手上的单目视觉感知充电孔位置,并采用可编程控制器(PLC)和工业控制计算机(IPC)协同控制.先示教确定标准拍摄位置、拍摄距离及充电孔的标准位置,再检测充电孔正负极边缘并创建匹配模板,应用形状匹配与机器人配合进行手眼标定.PLC采用状态转移法设计控制程序,通过IO输出机器人动作条件,IPC通过OPC通信读写PLC状态,通过TCP发送动作坐标到机器人控制器.实验和应用结果表明,定位误差＜0.5 mm,准确性和可靠性满足应用要求.     

基于导纳控制的轮椅姿态柔顺调节方法研究

针对目前多姿态智能轮椅姿态调节舒适性差且存在安全风险的问题,提出一种基于导纳控制的轮椅多姿态柔顺控制策略.首先,基于人体生物力学,分析和获取了人体姿态调节过程中的舒适姿态及人-座椅面压力分布图.其次,采用DH参数法对轮椅座椅姿态调节机构进行运动学建模,并以此为基础,以位置环为内环反馈,建立人-座椅面压力外环驱动的导纳控制策略.最后,构建了基于CoppeliaSim和MATLAB的可视化仿真,建立轮椅姿态调节机构的URDF模型,采用LuaSocket实现MATLAB和CoppeliaSim间的通信,进行联合仿真.仿真结果表明轮椅在姿态调节过程中,人与座椅面间的压力变化平稳,可以自适应地调整其位姿,使用结束后能及时回到初始位姿,验证了该方案的可行性与有效性.     

一种面向汽车个性化定制的智能交互方法

针对传统汽车在线个性化定制服务中缺乏有效的交互,且消费者隐性需求的获取和转化研究不足等问题,研究了隐性需求的获取和转化以及产品定制特征的分析和表述,建立了产品特征与用户需求的映射模型,提出了一种基于组织符号学思想的智能交互方法,并采用黄金分割法对所提方法进行了迭代优化。最后利用汽车颜色的定制对此方法进行了测试。测试结果表明,该方法能在一定程度上提高个性化定制服务的互动性和引导性。