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多模式绳索驱动下肢康复机器人及远程双边控制策略研究

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多模式绳索驱动下肢康复机器人及远程双边控制策略研究

作者：莫宗骏哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

基于我国实际国情,为服务积极应对人口老龄化的国家战略,本文将下肢康复机器人与双边控制策略相结合,达到远程在线实施康复训练、实时监测治疗情况和可按不同反馈及时调整康复方案的目标,帮助医师提高康复效率和辅助病患完成训练任务,... 详细信息

基于我国实际国情,为服务积极应对人口老龄化的国家战略,本文将下肢康复机器人与双边控制策略相结合,达到远程在线实施康复训练、实时监测治疗情况和可按不同反馈及时调整康复方案的目标,帮助医师提高康复效率和辅助病患完成训练任务,大幅度改善下肢康复训练的效果,对绳索驱动下肢康复机器人及远程双边控制策略的发展具有深远意义及极大的应用价值。针对人体下肢的屈伸-步态以及内收外展、内旋外旋等运动特点和治疗康复学对机器人的性能要求,提出了一种新型绳驱下肢康复机器人构型,其既可集成多种康复训练模式于其中,又可满足医师对实施训练时可操作机构的需求。本文还对其的总体结构、各主要部件及装配布置方式施以了详细设计及仿真建模。基于康复要求和上述构型,拟出机器人双边控制系统总体方案,并分析了其工作原理。对下肢屈伸-步态运动实施运动学分析,运用FAB采集其的运动轨迹并通过现有数据库施行修正,完成轨迹规划,再据此指导对机器人病患端的运动、动力学分析,得到此端各项参数的变化规律及其表达式。采用D-H法对医师端实施分析,得到机构可实现工作空间满足康复训练动作需求的结论。完成双端机构各绳索间力学关系的解算,得到双端的力关联表达式。引入双边控制策略性能度量指标。讨论基于无源性和绝对稳定性的系统稳定判据。分析双边PD法的构型及其性能局限性,提出Anderson法与单边PD法,详论二者的各项性能。再据此,提出基于Anderson法改进的单边PD法,并对其施以详细分析和与单边PD法的优劣性比较,得到改进后方法更为优良的结论。利用SimMechanics模块仿真验证系统结构原理和机构运动、动力学模型的正确性及有效性。搭建实验样机,并在对其各主要部分硬件施以选型及线路布置后,完成整机的调试、测试和故障排除,再据此样机实施双边控制位置跟踪性能实验及肌肉力康复效果评估实验。验证机器人构型的可行性,得到改进后单边PD法下系统双端机构位置跟踪性能即可满足康复要求及良好完成训练任务的结论,证实了通过分析绳索拉力实现对患肢康复效果评估的可行性。

关键词：下肢康复机器人双边控制多模式康复评估

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基于深度强化学习的自动驾驶双边控制研究

基于深度强化学习的自动驾驶双边控制研究

作者：陈越北京建筑大学

学位级别：硕士

交通震荡或“走停”现象给交通运行带来了严重干扰,在此过程中车辆频繁的加减速行为会导致能源消耗增多、尾气排放增加、安全隐患增加等问题。既有研究表明,在自动驾驶技术中合理设置自动驾驶车辆纵向控制策略能使其成为交通流中的“稳... 详细信息

交通震荡或“走停”现象给交通运行带来了严重干扰,在此过程中车辆频繁的加减速行为会导致能源消耗增多、尾气排放增加、安全隐患增加等问题。既有研究表明,在自动驾驶技术中合理设置自动驾驶车辆纵向控制策略能使其成为交通流中的“稳定器”,起到抑制交通震荡的作用。然而当前自动车辆运动建模更多延续自然人驾驶跟车的单边控制策略建模思路,即只考虑前方车辆的运动状态,缺乏对前后方车辆运动状态的综合考虑,本研究探索性设计一种考虑车辆运动前后关联的双边控制模型,并分析其对交通震荡现象的影响,主要研究内容如下:首先,采取双边控制策略,建立基于深度强化学习的双边控制模型(Bilateral Control Model Based on Deep Reinforcement Learning,BCM-RL)。该策略要求当前车辆在位置上应处于前方车辆和后方车辆的中间位置,速度上应保持为前方车辆和后方车辆的平均速度。以此策略为基础,构建模型的动作空间、车辆自身及其前后方车辆信息的状态空间,并设计考虑控制效率、抑制震荡能力以及安全性的多目标奖励函数。考虑到在双边控制模型车链中尾车不能使用双边控制策略的限制,设计出一种单边控制策略,基于深度强化学习的跟驰模型(Car Follow Model Based on Deep Reinforcement Learning,CFM-RL)作为BCM-RL车链尾车,以辅助BCM-RL车辆行驶。其次,提出一种两阶段嵌套训练框架实现模型的高效训练。本次研究提出一个嵌套式的两阶段训练架构,首先在第一阶段CFM-RL训练环境中,训练得到合格的CFM-RL,随后在第二阶段BCM-RL的训练中,将第一阶段的CFM-RL车辆作为BCM-RL的车链尾车辅助BCM-RL训练,并使用参数共享的方式训练BCM-RL。在训练框架中将美国道路公开数据集(Next Generation Simulation,NGSIM)中具有交通震荡的I-80数据作为训练集,开展两种模型的有效训练。最后,设计模拟实验方案测试双边控制模型对交通震荡的抑制效用。为提高测试仿真的真实性和复杂度,将I-80数据中的速度曲线进行拼接,构建复杂交通场景的测试集。随后,分别在纯自动驾驶环境和混合交通环境中测试模型的安全性、燃油消耗、尾气排放以及行驶效率。实验结果表明:在纯自动驾驶环境测试中,相较于其他模型,在保证正常跟驰效率的情况下,BCM-RL车链的指标更加出色。在混合交通测试场景中,BCM-RL车链能有效缓解交通震荡,并随着车链长度的增加,交通环境不断得到改善。

关键词：自动驾驶双边控制强化学习跟驰模型交通震荡

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基于灵巧驱动机器人的双边控制方法

基于灵巧驱动机器人的双边控制方法

作者：唐明章华中科技大学

学位级别：硕士

遥操作技术应用广泛,如远程医疗、太空机器人等。双边控制是遥操作技术的经典方式,可以适用于各种交互情景。双边系统的透明性与稳定性是相互矛盾的,要根据实际任务进行取舍。传统双边系统在交互时末端刚度过大,使系统整体的安全性不够... 详细信息

遥操作技术应用广泛,如远程医疗、太空机器人等。双边控制是遥操作技术的经典方式,可以适用于各种交互情景。双边系统的透明性与稳定性是相互矛盾的,要根据实际任务进行取舍。传统双边系统在交互时末端刚度过大,使系统整体的安全性不够。针对以上问题,本文提出了一种新的基于阻抗控制的双边控制方法。本文建立了包含操作者与环境在内的双边系统动力学模型,用一种更直观、实用的新型双边控制框图,对双边系统的可操作性、无源稳定性进行了分析。搭建了动量扰动观测器代替力矩传感器获取系统的交互力矩,有效减少了噪声对系统的干扰,并使整体结构变得更轻量化。传统的机器人系统具有结构复杂、成本高、多级传动、控制效率低的特点,故本文选择永磁体腕式球关节电机作为仿真与实验平台,这是一种三自由度磁测控一体化的灵巧驱动机器人手腕,具有无传动、磁测控、自传感力位控制的优点。仿真验证了动量扰动观测器的有效性,分析了增益矩阵对性能的影响,并与另外两种传统观测器进行对比。仿真分析了双边系统的综合性能及控制参数对系统的影响,并与另外两种传统的双边系统进行对比,以核酸检测为场景,对引入末端执行器的双边系统进行仿真。基于球关节电机搭建双边系统实验平台,通过力矩传感器实例验证了动量扰动观测器的有效性,通过闭环运动控制实验验证了单边电机平台的轨迹跟踪性能,通过全闭环双边控制实验验证了基于阻抗控制的双边系统的柔顺性与透明性。

关键词：双边控制阻抗控制动量扰动观测器遥操作力反馈球关节电机

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无环境力反馈的四通道双边控制

控制理论与应用 2011年第3期28卷 315-320页

作者：王裕基孙富春刘华平闵海波清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室清华信息科学与技术国家实验室北京100084

传统的四通道双边控制方法需要大量的力传感器,用以检测遥操作系统受到的环境力,在实际工程中不易推广应用.本文提出了一种无环境力反馈的四通道双边控制策略,分析了无时延和有时延两种情况下遥操作系统的透明性.并采用无源的双边控制律... 详细信息

传统的四通道双边控制方法需要大量的力传感器,用以检测遥操作系统受到的环境力,在实际工程中不易推广应用.本文提出了一种无环境力反馈的四通道双边控制策略,分析了无时延和有时延两种情况下遥操作系统的透明性.并采用无源的双边控制律,设计了大时延情形下的系统控制结构.仿真结果表明,存在大时延时,提出的控制系统在自由运动和接触运动中都具有良好的性能.

关键词：四通道双边控制力反馈

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大时延力反馈双边控制系统

机器人 2005年第5期27卷 410-413,419页

作者：邓启文韦庆李泽湘国防科技大学机电工程与自动化学院湖南长沙410073 香港科技大学电机及电子工程学系

阐述了力反馈双边控制遥操作的基本思想,讨论了其稳定性和透明性,介绍了一种既能保证稳定性、又能提高透明性的力反馈双边控制方法.最后给出了力反馈遥操作实验系统的实现,在6 s时延条件下成功完成了曲面跟踪任务.

关键词：时延双边控制力反馈稳定性透明性

基于主端力缓冲的波变量4通道双边控制方法研究

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北京理工大学学报 2017年第2期37卷 180-184,211页

作者：高欣赵启飞吴立凯孙汉旭贾庆轩杨堉坤北京邮电大学空间机器人技术教育部重点实验室北京100876

针对同步性能会直接影响遥操作双边控制系统的透明性和跟踪性的问题,提出了一种基于主端力缓冲的波变量4通道双边控制方法.首先,给出了一种定时延条件下力反馈双边控制系统同步性的定量度量函数;其次,在波变量4通道双边控制结构中,设计... 详细信息

针对同步性能会直接影响遥操作双边控制系统的透明性和跟踪性的问题,提出了一种基于主端力缓冲的波变量4通道双边控制方法.首先,给出了一种定时延条件下力反馈双边控制系统同步性的定量度量函数;其次,在波变量4通道双边控制结构中,设计了异构形式的主从端控制器,通过在主端控制器添加力缓冲单元和补偿单元来实现主从端同步控制,消除了波变换方法对主端控制器超前作用的影响;在此基础上,采用多回路反馈结构稳定性分析方法对提出的方法进行稳定性分析,并得到系统稳定的约束条件.最后通过仿真和搭建的实验平台验证了所提方法的有效性.

关键词：双边控制同步性度量力缓冲 4通道波变量

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双边控制负荷传感泵

工程机械 1990年第2期 36-40+52页

作者：赵显新杨文华蒋桂堂武汉冶金建筑专科学校武汉钢铁学院

本文对ZB型泵实现双边控制负荷传感系统进行了理论分析与实验研究,着重分析了阻尼对其静态的影响;确定了主要参数选取的基本原则;得到了一些具有实用价值的结论。

关键词：双边控制负荷传感泵

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一种基于切换控制律的机器人双边遥操作方法

宇航学报 2015年第4期36卷 410-418页

作者：陈章梁斌张涛宋海涛张博清华大学自动化系北京100084 化工过程先进控制和优化技术重点实验室上海200237 香港中文大学深圳研究院深圳518057

针对变时延下多自由度机器人在任务空间的遥操作问题,为在保证时延稳定性的同时提高其透明性和跟踪性,在一种比例微分+阻尼的任务空间双边控制器基础上,加入变增益切换控制律。结合性能需求,为不同操作模式设计合适的控制增益。在切换... 详细信息

针对变时延下多自由度机器人在任务空间的遥操作问题,为在保证时延稳定性的同时提高其透明性和跟踪性,在一种比例微分+阻尼的任务空间双边控制器基础上,加入变增益切换控制律。结合性能需求,为不同操作模式设计合适的控制增益。在切换律中引入临界模态,保证系统在碰撞发生时切换控制的稳定性。利用李雅普诺夫理论证明系统在各模态下以及切换过程中的稳定性。通过对一个典型任务的仿真,校验该方法的有效性;同时,几组对比仿真试验也展示了该方法在稳定性和操作性上的优势。

关键词：遥操作双边控制切换控制稳定性

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教学闭路电视的双边控制系统

电子技术（上海） 1992年第4期19卷 2-6,13页

作者：蔡寒阳

随着电化教学的普及和课堂电视插播教学的开展,电视录像的播放量越来越大,播放方式也由单纯的定时播放发展到教师根据讲课的情况随时控制播放。录像资料的不断丰富和录像设备管理的繁杂,对闭路电视教学提出了更高的要求。本系统利用计... 详细信息

随着电化教学的普及和课堂电视插播教学的开展,电视录像的播放量越来越大,播放方式也由单纯的定时播放发展到教师根据讲课的情况随时控制播放。录像资料的不断丰富和录像设备管理的繁杂,对闭路电视教学提出了更高的要求。本系统利用计算机技术,实现了教室和中央播放室的数据通信和通话,达到教室和播放室对录像机的双边控制。这样,教师能够充分利用录像资料,随时插播,改变了电视放像与课堂教学脱节的状况。由于实现了对录像设备和资料的集中管理,设备和资料的利用率得到了提高。

关键词：电化教育设备闭路电视双边控制