基于功能性电刺激的上肢康复系统条件反馈控制

功能性电刺激是脑卒中患者有效的康复方法,然而上肢肌肉的动态模型存在着强非线性、多源扰动、模型不精确和参数变化大等控制难点.为提高基于功能性电刺激的上肢康复系统的跟踪速度和扰动抑制能力,本文提出了一种基于条件反馈的比例–积分控制策略,条件反馈的设计用于提高系统的跟踪性能,通过比例–积分控制器抑制外部扰动与模型不确定性.通过单一变量法分析了控制器参数对控制效果的影响,提出了一种简单、实用的参数整定规则.基于Hammerstein肌骨系统模型,通过仿真验证了所提方法在保证闭环系统鲁棒性的前提下,与常规的比例–积分控制器相比在跟踪和扰动抑制性能方面的优势.最后,基于搭建的上肢康复系统控制平台,对不同实验者在不同目标输出力下进行对比实验,实验结果表明本文所提基于条件反馈的比例–积分控制策略的平均峰值量占比为9.22%,而对比控制策略的平均峰值量占比为17.80%,所提控制策略的平均单位误差绝对值积分指标是对比控制策略平均单位误差绝对值积分指标的70.43%,验证了本文所设计的控制策略在保证闭环系统鲁棒性的前提下具有更好的跟踪效果.     

上肢康复机器人实时安全控制

针对上肢辅助康复机器人临床使用中的安全性和平稳性问题,提出基于模糊逻辑的实时在线安全监测控制方法.机器人对患肢进行康复训练时,患肢状态对控制效果会产生影响;通过设计智能安全监控模糊控制器(SSFC)改善系统运动平稳性以及突发情况下的安全性.首先提取相关运动特征评估受训患肢状态稳定情况,安全监控模糊控制器智能实现正常扰动情况下的控制期望力调节以及突发情况下的紧急响应.其次通过基于位置的阻抗控制策略实现患肢与机器人末端的柔顺性.实验结果验证了该控制方法能够有效地实现康复机器人的安全性和平稳性.     

基于固定时间滑模干扰观测器的AUVs事件触发编队控制

研究多自主水下机器人(AUVs)编队控制过程中存在外部未知扰动、模型参数摄动和节约控制器传输网络能耗的问题,提出一种抗扰动的固定时间相对阈值事件触发编队控制方法.首先,给出自适应固定时间积分滑模干扰观测器(AFISMDO),在固定时间内用来估计系统的复合扰动;其次,基于所设计的AFISMDO,将非线性滤波器引入到反步算...     

基于椭圆吸引律的离散重复控制

针对离散时间系统的周期轨迹跟踪问题,提出一种基于椭圆吸引律的离散重复控制方法.该方法能有效减小抖振,并通过扰动扩张状态观测技术对系统的未知扰动进行有效抑制,采用重复控制技术对系统中存在的周期扰动完全消除.为了刻画系统误差动态性能,推导出单调减区域、绝对吸引层、稳态误差带的表达式以及系统跟踪误差进入稳态误差带的最大步长.通过数值仿真与直线伺服电机实验,验证所提出控制方法的有效性.     

面向北京2022年冬奥会水下火炬传递的新型机器人

面向北京2022年冬奥会水下火炬传递应用需求,设计水下变结构机器人和两栖机器人,并提出水下火炬传递控制方法。克服机械臂（含火炬）运动和野外流场的复合扰动是火炬传递控制的关键问题,尤其是手持燃烧火炬的机械臂对浮游模式水下机器人的影响更加显著。针对以上问题,本文提出一种基于自适应控制策略的水下火炬传递控制方法,在线辨识静力学和流场水动力参数,预先补偿控制扰动,实现水下机器人的高精度姿态控制、位置控制。最终,在北京2022年冬奥会上成功完成奥运史上首次机器人间水下火炬接力。     

多源扰动下光电跟踪系统连续非奇异终端滑模控制

针对多源扰动下的光电跟踪系统,提出一种基于有限时间扰动观测器的连续非奇异终端滑模控制方法.首先,通过扰动观测器在有限时间内估计出集总扰动并用于快速幂次趋近律的设计,利用非奇异快速终端滑模面和等效控制方法,得出连续有限时间控制律.采用Lyapunov稳定性方法进行了严格的有限时间收敛证明.其次,对2–DOF光电跟踪系统进行建模,分析影响控制精度的多源干扰因素,并进行控制律设计.最后,结合实际工作环境进行仿真与实验研究,论证算法的有效性.结果表明,提出的控制方法可使得系统输出即使在多源扰动存在情况下,也可在有限时间内快速收敛到平衡点,提高了光电跟踪系统的抗干扰能力与稳态控制精度.     

机器人辅助运动功能康复中的控制和评估策略

本文介绍用于运动功能康复的辅助机器人系统并论证其可行性。文章分析其区别于传统工业机器人的技术难点和特点；总结现有辅助康复训练的控制策略和评估策略种类；最终提出新的基于BCI和三维上肢运动检测的控制和评估策略。     

预防阈值控制策略及其实现

对机器故障为一般概率分布的不可靠制造系统,提出一种预防阈值控制策略和实现 这一控制策略的参数优化方法.应用扰动分析法得到性能指标对控制参数的灵敏度估计,并 证明了估计的无偏性,又利用随机逼近技术优化控制参数.仿真结果验证了控制策略的有效 性.     

面向抓取作业的飞行机械臂系统及其控制

面向飞行机械臂的飞行抓取作业,提出了一个由六旋翼飞行机器人和7自由度机械臂组成的飞行机械臂系统.系统采用分离式控制策略,即飞行机器人和机械臂各有一个控制器.机械臂运动所引起的系统质心和转动惯量的变化量及其导数被用来估计机械臂对飞行机器人的扰动力和力矩.为了减弱机械臂扰动对六旋翼飞行机器人的飞行控制性能的影响,提出了扰动补偿H∞鲁棒飞行控制器.实验结果表明,与没有扰动补偿的控制器相比,当机械臂运动时所提出的扰动补偿H∞鲁棒控制器对系统的飞行控制性能有明显的提升效果.最后,目标物抓取作业实验验证了所提出的飞行机械臂系统的可靠性.     

非线性迭代学习算法在机器人上肢康复中的应用

针对上肢康复机器人轨迹跟踪控制中存在的患者痉挛扰动非线性及不确定性问题, 结合康复机器人系统执行具有重复性的特点以及迭代学习算法特有的性质, 提出一种非线性迭代学习控制算法, 改进了机器人常用的线性动力学控制系统, 使得在模型信息不精确以及只有角度信息可测的情况下, 也能获得良好的轨迹跟踪性能; 应用Lyapunov 稳定性理论和LaSalle 不变性原理证明了闭环系统的全局渐近稳定性. 仿真结果表明, 所提出的非线性迭代学习控制具有良好的控制性能.

     

虚拟现实技术在柔性上肢康复机器人中的应用

根据末端牵引式和外骨骼式上肢康复机器人的特性,研制了一种新型的柔性上肢康复机器人。机器人的康复训练系统结合了主动和被动模式的要素,将虚拟现实（VR）技术引入上肢康复机器人,通过现实环境中的光学3D位置捕获以及VR环境中的3D位置感知,设计了虚拟动态模型交互性节点和碰撞检测实验,实现虚拟现实交互,提高虚拟模型运动实时效果和上肢康复训练精度。VR和新颖的康复机器人的集成为具有特定任务的患者提供了有效的训练。     

下肢康复机器人的自适应人机交互控制策略

针对康复机器人运动过程中的人机交互性问题,提出一种下肢康复机器人自适应人机交互控制策略.提取伸屈运动中下肢表面肌电信号（Surface electromyography,sEMG）和足底压力特征,分别用于表征下肢运动意图和人机交互力（Interaction force,IF）信息,建立基于sEMG-IF的人机交互信息融合模型,实现下肢康复机器人运动轨迹的在线规划;考虑主动康复运动过程中的人机交互作用,建立具有时变动态特性的人机系统动力学模型,设计间接模糊自适应控制器对期望轨迹进行跟踪控制,实现下肢康复机器人自适应人机交互控制.通过对5名被试者进行下肢康复机器人运动控制实验研究,验证所提方法的可行性和有效性.     

基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统设计

传统上肢康复机器人交互控制系统受到奇异位形影响,导致系统控制精准度较低,为此提出基于力阻抗模型的上肢康复机器人交互控制系统;设计上肢康复机器人交互控制系统结构,选取双串口12CSA60S2系列单片机作为下位机控制核心模块,利用椎齿轮改变驱动力方向,设计机械臂肘部结构,通过同步带传动,将器件隐藏于空手柄中;设计机械臂腕部结构,满足临床康复时上肢患者站姿与坐姿训练需求;选择箔式应变片BF350力传感器,设计电阻应变片桥接电路,处理传输信号;构建机器人目标阻抗模型,设计基于力阻抗控制策略,调节位置、速度和关节;为改善奇异位形情况,在奇异位形附近关节角速度指令直接由各个关节力矩阻尼控制得到,实现角速度精准输出,完成系统控制;由实验结果可知,该系统直线运动位置、旋转关节位置和伸缩关节位置跟踪结果与标准值基本一致,满足系统设计需求。     

Cooperative localization and control of multiple heterogeneous robots using a string formation

This paper is on cooperative localization and control of multiple heterogeneous robots utilizing a string formation. This formation is preferred, since robots can move along a narrow passage utilizing this formation. Dead reckoning localization based on inertial measurement units leads to accumulated localization error. To avoid the error accumulation in dead reckoning localization, this paper introduces the last-move strategy for multiple heterogeneous robots. In the last-move strategy, a single robot is selected for maneuvering, and it turns on its bearing-range sensors for a short amount of time, in order to locate itself. While the selected robot moves, all other robots stop moving and perform as static landmarks for the moving robot. A robot may not maintain its desired course, in the case where environmental disturbance is severe. We thus develop a control strategy for avoiding obstacles while estimating the disturbance direction at a robot's location. To the best of our knowledge, this paper is novel in localization and control of a team of heterogeneous robots, considering the case where environmental disturbance is severe. The proposed localization process is energy-efficient, thus is suitable for practical applications. The performance of the proposed schemes is demonstrated utilizing MATLAB simulations.     

一种新的康复与代步外骨骼机器人研究

针对老年人及下肢障碍者康复训练与代步问题,本文提出一种新的康复与代步外骨骼机器人.本文首先详细介绍了机器人各部分组成及机构设计方案,通过下肢外骨骼与轮椅的有机结合,有效保持或恢复老年人、脑卒中患者下肢运动能力的同时,为患者提供一种方便的代步工具;运用脚蹬车运动制订康复训练策略,可保持下肢康复训练轨迹固定,保证患者安全;提出主从式操作方法及多模态康复训练控制流程提高使用者参与感.最后通过仿真与实验验证了所提康复系统的可行性与设计的正确性.     

下肢康复机器人的研究进展与临床应用

社会老龄化进程中,由于疾病或事故导致下肢受损的患者越来越多,患者的运动能力康复变得尤为重要.相对于传统的物理康复治疗方法,利用下肢康复机器人进行运功功能康复训练可以准确评估、大幅改善康复效果,提高康复效率,节约医疗康复资源.作为一种涉及康复医学、机械学、控制学、机器人学、计算机学及人工智能等诸多学科的智能仿生机电设备,下肢康复机器人按照患者的康复作业姿态主要分为坐卧式下肢康复机器人和站立式下肢康复机器人.其中坐卧式下肢康复机器人可以分为脚踏板式和外骨骼式机器人,站立式下肢康复机器人分为悬挂减重式和独立可穿戴式机器人.本文调研了国际上应用较为广泛的几类下肢康复机器人的代表性产品,详细分析了下肢康复机器人的主被动自由度、驱动方式、传动关节、感知技术、运动控制策略和训练模式等关键技术,并对各类机器人典型临床测试案例进行了比较和探讨,对下肢康复机器人未来的技术发展做出展望.     

矢量场逐次逼近的康复机器人柔顺交互控制

为了实现康复机器人的主动柔顺交互,提出了一种基于矢量场逐次逼近的控制模型;设计了矢量场逐次逼近系统,可输出机器人关节期望位移,该输出能与输入的扭矩、表面肌电及脑电等信号在振幅、频率和相位上保持同步,且通过调节遗忘因子参数值,可改变主动柔顺交互的积极性;利用自行设计的穿着型下肢康复机器人样机进行柔顺辅助实验,以验证所提出控制模型的有效性;通过FFT（Fast Fourier transformation）频谱对机器人关节扭矩的组成成分进行了分析,并采用基于最小二乘法的参数辨识方法实施了重力补偿,以便康复机器人实时控制.实验结果表明,该控制模型对于实现康复机器人与人之间的柔顺交互是有效的.     

Modeling and Verification of a Bimanual-Coordinated Training System

Recently, much attention has been paid to the development of robots that support bilateral arm training in various patterns. However, traditional bimanual rehabilitation robots usually realized different training modes with the robot providing a corresponding force for the impaired limb or else achieved an active-assisted mode with the healthy limb providing an assisted force for the impaired one. This paper proposes a robot to support bimanual-coordinated training. Different training modes are realized with one limb providing a corresponding force for the other limb. Two upper limbs accomplish symmetric movements in each training mode. Motion tracking training in active-resisted and active-assisted modes was performed on 11 healthy subjects. After bimanual-coordinated training, position tracking precision was significantly improved. The preliminarily results confirmed the feasibility of the system for supporting healthy subjects in performing bimanual-coordinated training tasks and demonstrated the effectiveness of the system in improving bimanual-coordinated performance of healthy subjects. Such a system could be potentially useful for patients who are in need of motor function rehabilitation after incidents such as stroke.