基于柔性双足信息的助力机器人行走控制方法研究

中国科学技术大学硕士学位论文基于柔性双足信息的助力机器人行走控制方法研究姓名：郑成闻申请学位级别：硕士专业：模式识别与智能系统指导教师：葛运建;宋全军2011-05-06摘要I摘要可穿戴助力机器人是一种人机结合的智能交互系统，通过机器人的感知系统获取人体运动交互信息，判断人体运动意图，通过控制系统规划机器人运动轨迹，发送驱动命令提供动力。可穿戴助力机器人可以增强人体运动能力，扩展人体运动范围，在医疗，科考旅游、军事等多种领域有着广泛的应用前景。本论文主要是研究可穿戴助力机器人步行运动控制。由于人体步行过程呈现明显的周期性变化，而人体足底压力信息可以很好地映射这一周期特征，因此本项目选定足底压力分布信息作为可穿戴助力机器人控制信号输入。本文主要的研究内容如下：1.根据人体下肢运动特点，研究分析了人体步行规律和步态相位周期，为助力机器人步行运动控制系统设计提供了理论参考。2.设计了一套助力机器人柔性双足机构。该机构贴合人体足部自然构造，可减少人机干涉，改善人机交互信息测量。3.设计了一套足底压力分布信息获取系统。通过实验验证该系统的测量精度、实时性以及可靠性均可以满足测试要求。引入多传感器信息融合理论，对实验结果进行定量分析，划分人体步态相位周期，为助力机器人步行运动控制系统设计提供了数据支持。4.引入传统自主式双足机器人的层次式控制方法，从运动规划层、步态综合层和执行层三个层次对下肢助力机器人控制系统进行规划和设计。针对控制系统输入-足底压力分布信息和控制输出-驱动信息存在非线性关系，在步态综合层建立模糊控制器对两者非线性关系进行关联。通过基于理论层面的研究后，在工程层面上实现了助力机器人实验平台的研制。5.完成了控制系统有效性的实验验证。利用本文设计的控制系统，通过足底压力分布信息触发控制助力机器人完成两相位步态复现。关键词：助力机器人步行控制信息获取足底压力分布模糊推理AbstractIIABSTRACTWearableassistantrobotisaintelligentinteractivesystemofman-machinecombination,whichcandeterminetheintentofhumanmotionwithhumanmotioninteractiveinformationacquisitionbytheperceptionsystemofrobot.Thenthecontrolsystemsendscommandstopower-drivenbytrajectoryplanning.Wearableassistantrobotcanenhancethecapacityofhumanmotion,extendthescopeofhumanmovementandhasgreatpotentialsinhealthcare,expeditiontravel,militaryandotherareas.Thisdissertationistostudywalkingmotioncontrolofthewearableassistantrobot.Asthehumangaitshowssignificantseasonalchangesduringwalking,andhumanplantarpressureinformationcanbewellmappedthefeaturesofcycle,sothisdissertationselectedplantarpressuredistributioninformationaswearableassistantrobotcontrolsignalinput.Themaincontentofthisdissertationisasfollows:1.Accordingtocharacteristicsofhumanlowerlimbmovement,thisdissertationanalyzesthehumanwalkingrulesandgaitphase,providestheoreticalsupportforthecontrolsystemofwearableassistantrobot.2.Thisdissertationdesignsarobotflexiblebipedstructure.Thestructurefitsthenaturalstructureofhumanbipedanditcanreducehuman-machineinterference,improvethemeasurementofhuman-machineinteractioninformation.3.Thisdissertationdesignsaplantarpressuredistributioninformationretrievalsystem.Themeasurementaccuracy,timelinessandreliabilityofthesystemcanmeetthetestrequirementsbyexperiments.Thenthisdissertationquantitativeanalyzestheexperimentalresultswithmulti-sensorinformationfusiontheory,divideshumangaitphasecycleandprovidesdatasupportforcontrolsystemofwearableassistantrobot.4.Thisdissertationdesignsthecontrolsystemforlowerlimbassistantrobotfrommotionplanninglevel,gaitsynthesislayerandexecutionlayer.Thesethreelevelsarefromthecontrolconceptsoftraditionalautonomousbipedrobot.Forthenonlinearrelationshipbetweencontrolsysteminput-plantarpressuredistributioninformationandcontrolsystemoutput-driveinformation,thisdissertationAbstractIIIassociatesthenonlinearrelationshipwithfuzzycontrolleringaitsynthesislevel.Throughthestudybasedonatheoreticallevel,wedevelopanassistantrobotexperimentalplatform.5.Thisdissertationverifiesthesecurityandreliabilityofplatformbyexperiments.Finally,Thisdissertationusingcontrolsystemtocompletetwo-phasewalkingreproductionbyplantarpressuredistributioninformation.Keywords:powerassistantrobot,walkingcontrol,plantarpressuredistributioninformationacquisition,fuzzyreasoning中国科学技术大学学位论文原创性声明本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名：___________签字日期：_______________中国科学技术大学学位论文授权使用声明作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入《中国学位论文全文数据库》等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。保密的学位论文在解密后也遵守此规定。□公开□保密（____年）作者签名：_______________导师签名：_______________签字日期：_______________签字日期：_______________第一章绪论1第一章绪论1.1研究背景与意义随着科学技术的快速发展，智能机器人已经广泛应用于工业、农业、军事以及日常家用等多种领域。现代机器人所具备的动力机械装置可以代替人类完成许多艰苦任务，例如搬运、勘探等需要重度体力消耗的活动[1]。虽然现代智能技术有了长足的发展，但是与人类的智力比起来还相去甚远，特别是决策能力与对环境的感知能力[2]。因此，若将人类的“智力”与机械的“动力”结合起来，综合为一套人机结合的交互系统，让机器感知人类运动意图，通过机器控制系统决策提供所需动力，从而增强人体特定部位的运动能力，完成一些仅靠人力难以单独完成的任务，这便是可穿戴型助力机器人的设计思想。可穿戴助力机器人是一种外骨骼机器人，其应用仿生学原理，采用外骨骼的机械结构，覆盖人体肢体表面，为穿戴者提供支撑、保护，增强运动能力[3]。可穿戴助力机器人可分为上肢助力机器人和下肢助力机器人，本文将主要讨论下肢助力机器人。可穿戴下肢助力机器人是一种可以辅助人完成行走、坐/立、下蹲/起立等多种运动的人机一体化装置，它利用人的智能控制机器人行走，从而大大简化了自主行走式双足机器人最为常见的步态轨迹规划和步态稳定性问题，同时又可以增强人体行走能力和速度，缓解人体在大负重和长时间行走情况下出现的疲劳感，大大扩展人的运动范围，在医疗、科考旅游、军事等领域有着广泛的应用前景[4]。在医疗领域，随着人口老龄化的日趋严重，将对我国乃至全球的政治、经济、社会带来重大的影响。人随着年龄的增加，全身运动机能就会逐渐减退，存在行走不便，行走力量以及耐力不足等问题。因此针对这些问题，可穿戴式下肢助力机器人可以帮助老年人行走，坐/立，从而减轻老龄化问题对家庭和社会的负担。另一方面，穿戴式助力机器人也可以帮助残障人士进行康复训练，保持肌肉的运动能力，从而避免肌肉因为持续萎缩而彻底丧失运动能力，使患者尽快恢复正常生理功能，融入社会生活。在科考旅游等野外活动领域，由于传统轮式交通工具对路面环境等要求较高，因此在许多复杂非结构化环境中无法应用。此时，可穿戴型助力机器人可以大幅度减轻用户长距离负重行走所带来的疲劳感，可以使用户集中精力做好主要任务，提高工作效率。第一章绪论2在军事领域，应用可穿戴型助力机器人可以增强单兵在携带武器装备、远程奔袭和运送伤员中的机动性、忍耐力，可以大大提高士兵的越野作战能力，从而使士兵转变为战场上一个综合武器系统的核心。可穿戴型助力机器人具有多种传感器、多个关节和驱动器，是一种高阶、高冗余度、非线性的多自由度系统。同时人体步行是生物界步行方式中自动化程度最高，最为复杂的步行动作。因此如何控制助力机器人拟人化行走已逐渐成为国内外学者的一个热点研究方向，具有极大的学术研究价值。同时可穿戴型助力机器人不仅可以增强用户完成某项任务的能力，而且其人机一体化系统对复杂环境有极强的适应能力。因此其具备巨大的实用价值和广阔的商业前景。1.2可穿戴型助力机器人的研究概况可穿戴型助力机器人本质上是一人机智能系统，采用以人—机器系统为一体的技术路线，人与机器之间通过立体、全方位的信息交流，突破传统人工智能的局限性，提高信息耦合程度，达到柔顺控制目标。目前，大多数国家的科研机构针对可穿戴型助力机器人进行实验室研发阶段，本节将通过大量翔实的文献调研，总结概述可穿戴