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基于人机动力学的截瘫助行外骨骼平衡指标研究

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基于人机动力学的截瘫助行外骨骼平衡指标研究

作者：辜欣悦电子科技大学

学位级别：硕士

截瘫助行外骨骼机器人在康复医疗领域的作用日益突出,为了保证患者使用外骨骼过程中的安全,外骨骼人机系统的平衡成为一大研究热点。要保持平衡的首要目标就是判别和量化平衡,即需要一个可靠的平衡指标。过去对人体和机器人的平衡指标... 详细信息

截瘫助行外骨骼机器人在康复医疗领域的作用日益突出,为了保证患者使用外骨骼过程中的安全,外骨骼人机系统的平衡成为一大研究热点。要保持平衡的首要目标就是判别和量化平衡,即需要一个可靠的平衡指标。过去对人体和机器人的平衡指标研究较多,但对外骨骼人机系统的平衡指标研究不足。因此本文针对外骨骼人机系统,分别提出了两种平衡指标。一种是基于改进稳定锥的平衡指标,在最小稳定角大于零的情况下效果良好;另一种是基于质心动力学的平衡指标,可以补充最小稳定角小于零的情况。最后通过实验验证了两种指标的有效性,本文的具体研究内容如下:基于稳定锥理论对外骨骼人机系统进行平衡指标研究。首先介绍了稳定锥方法的原理,然后分析如何将其应用于外骨骼人机系统上。本文发现该方法存在着没有设置阈值、平衡指标的权值系数过于主观等问题,因此对其进行优化改进。提出根据功能稳定边界确定平衡指标的阈值范围,引入稳定裕度来动态调节平衡指标的权值系数。通过对稳定锥方法进行改进,提出了改进稳定锥的平衡指标,能够更加客观地量化外骨骼人机系统的平衡程度。基于质心动力学对外骨骼人机系统进行平衡指标研究。分别分析了质心角动量、质心加速度和质心稳定裕度在外骨骼人机系统稳定行走过程中的变化,发现这三个变量有规律性地变化,能够作为平衡指标的重要参数,于是通过线性加权法将以上三个变量结合在一起,初步建立了一个平衡指标,并选择粒子群算法对指标中的权值系数进行优化,提出了一个适用于外骨骼人机系统行走时矢状面方向的平衡指标。针对本文所提出的两种平衡指标,采用运动捕捉系统Vicon进行实验验证,设计穿戴AIDER外骨骼静态倾倒实验和动态行走实验。通过静态倾倒实验确定了基于改进稳定锥平衡指标的阈值范围,四点支撑和三点支撑的阈值分别为100和1100,并验证了经稳定裕度优化权值系数后的平衡指标更加客观真实。同时,验证了基于质心动力学平衡指标可以补充最小稳定角小于零的情况,以阈值0.06为分界线,可以有效区分外骨骼人机系统行走时平衡与否。

关键词：助行外骨骼平衡指标稳定锥质心动力学

伤员救援机器人危楼环境稳定通过控制系统研究

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伤员救援机器人危楼环境稳定通过控制系统研究

作者：佟福奇沈阳理工大学

学位级别：硕士

科学的发展革新为人类社会的安全稳固发展创造了重要保障条件,随着科学技术的更新迭代,在面临重大的自然灾害时,人们对待灾后救援工作的处理方式逐渐追求无人化、自主化的抢救模式,以此来减少救援困难、降低救援风险、防止灾难现场对救... 详细信息

科学的发展革新为人类社会的安全稳固发展创造了重要保障条件,随着科学技术的更新迭代,在面临重大的自然灾害时,人们对待灾后救援工作的处理方式逐渐追求无人化、自主化的抢救模式,以此来减少救援困难、降低救援风险、防止灾难现场对救援人员造成二次伤害。随着国家的发展与城镇化建设进程的推进,自然地理环境逐渐被人造高楼建筑所覆盖取代,此时一旦发生灾害,派遣机器人在楼内环境展开救援工作问题已成为未来发展主流,国内外相关的学者也对此展开了广泛研究。因此,本文针对救援机器人楼内环境下转运伤员这一问题,研究设计了危楼救援机器人楼梯环境下稳定通过控制系统,以实现能够平稳、安全地运载伤员离开现场的目标。对于本文的救援机器人,首先是选取楼梯作为环境目标,结合机器人的功能及运动特征,为机器人各关键部件建立坐标系并进行重心捕捉,建立机器人整体的质心运动学的数学模型,在理论上为机器人通过楼梯环境的构型策略提供了支持。采用稳定锥算法作为理论依据,结合本文机器人自身结构的功能特征进行适应,为本文运载机器人的重心稳定情况设计衡量指标,同时,分析了各关节变化对机器人通过楼梯过程稳定性影响,总结规律并优化救援机器人的构型策略,最大程度地保障其重心平衡。使用MATLAB软件对重心稳定性算法进行计算仿真,并对比分析仿真结果,总结各种情况下机器人最稳定的姿态;组装样机机器人,搭建硬件与软件两部分控制系统,硬件系统包括样机机器人的机械结构加工组装;配置相应的电机参数、驱动器参数;设计配电箱、连接线路等硬件条件,软件系统的搭建主要是在电脑端使用乌班图操作系统与ETHERCAT网络实现主站从站信息通信与控制,并对系统各功能进行模块化处理。最后,准备机器人运载伤员转移实验。参考人体结构数据,制备一实验假人作为机器人在实际环境下的运载对象,固定好假人后,由样机机器人运载实验假人在真实楼梯环境下进行了测试,为本文研究设计的楼梯地形控制通过系统提供了实物实验支持。

关键词：救援机器人重心稳定性分析质心运动学建模稳定锥

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变形机器人倾翻稳定性仿真分析

系统仿真学报 2006年第2期18卷 409-415页

作者：刘金国王越超李斌马书根中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室

凹凸不平的非结构环境中,移动机器人由于系统的倾翻将导致系统损害、作业失败等一系列问题。变形机器人可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力。理论分析了移动机器人的倾翻问题,提出稳定锥方法和倾翻性能指数对移动机器人... 详细信息

凹凸不平的非结构环境中,移动机器人由于系统的倾翻将导致系统损害、作业失败等一系列问题。变形机器人可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力。理论分析了移动机器人的倾翻问题,提出稳定锥方法和倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定,讨论了三模块履带机器人变形过程中的倾翻稳定性变化,同时仿真比较了机器人的五种能动构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能。理论与仿真研究为变形机器人投入到实际应用提供了参考。

关键词：变形机器人稳定锥倾翻稳定指数能动构形非结构环境

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轮-履混合式移动机器人爬坡运动研究

哈尔滨工程大学学报 2016年第2期37卷 266-270页

作者：帅立国郑丽媛费燕琼河南科技学院机电学院河南新乡453003 上海交通大学机器人研究所上海200240

室内外不同环境对移动机器人有不同的运动要求,不同结构的移动机器人也具有各自的运动性能。设计了一种轮-履混合式移动机器人,描述了该轮-履混合式移动机器人不同的运动模式;针对不同的运动环境,实现纯轮式运动、纯履带式运动及腿式运... 详细信息

室内外不同环境对移动机器人有不同的运动要求,不同结构的移动机器人也具有各自的运动性能。设计了一种轮-履混合式移动机器人,描述了该轮-履混合式移动机器人不同的运动模式;针对不同的运动环境,实现纯轮式运动、纯履带式运动及腿式运动的相互转换;基于机器人的结构特性,分析了该机器人的爬坡能力,采用稳定锥方法,建立了该轮-履混合式移动机器人完成横向、纵向爬坡的约束方程。实验证明,此种轮-履混合式移动机器人地形适应能力强,具有较强的爬坡能力,在履带运动模式下的爬坡能力可以达到25°。

关键词：轮履运动模式移动机器人爬坡运动稳定锥

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可重构模块机器人倾翻稳定性研究

机器人 2005年第3期27卷 241-246,283页

作者：李斌刘金国谈大龙中国科学院沈阳自动化研究所机器人学重点实验室辽宁沈阳110016

介绍了一种可重构模块机器人,它可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力.该机器人由3个模块组成,采用履带驱动,具有直线、三角、并排3种对称构形.在对移动机器人的倾翻因素和倾翻对策等问题进行分析的基础上,提出稳定锥方法... 详细信息

介绍了一种可重构模块机器人,它可以通过构形的变化来提高系统的稳定性和抗倾翻能力.该机器人由3个模块组成,采用履带驱动,具有直线、三角、并排3种对称构形.在对移动机器人的倾翻因素和倾翻对策等问题进行分析的基础上,提出稳定锥方法,用倾翻性能指数对移动机器人的静、动态稳定性进行综合判定.讨论了变形机器人3种对称构形在仰俯、偏转、倾斜等干扰组合作用下的倾翻性能指数和综合稳定性,并进行了仿真实验和非结构环境实验.

关键词：可重构模块机器人稳定锥倾翻性能指数对称构形非结构环境

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基于姿态的轨道焊接机器人智能越障控制方法

机械与电子 2022年第8期40卷 71-75,80页

作者：李崇智贾永博陕西铁路工程职业技术学院陕西渭南714099

为了机器人能更好地完成轨道焊接任务,减少障碍物对工作的影响,提出了基于姿态的轨道焊接机器人智能越障控制方法。分析越障时机器人姿态稳定性,判定机身质心位置,明确焊接臂角度和碰触点,估算出姿态支持点位置,同时将实时运动数据传输... 详细信息

为了机器人能更好地完成轨道焊接任务,减少障碍物对工作的影响,提出了基于姿态的轨道焊接机器人智能越障控制方法。分析越障时机器人姿态稳定性,判定机身质心位置,明确焊接臂角度和碰触点,估算出姿态支持点位置,同时将实时运动数据传输到受力锥模型中,计算最小偏移势能推测越障倾翻方向,得出最佳稳定锥。初始化蚁群遗传算法、设定主程序,迭代出全局越障路径;考虑到户外工作环境存在路径规划阻力,结合卡尔曼滤波的状态转移矩阵,减少误差完成智能越障控制。仿真实验表明,所提方法在恶劣路况下也能实现精准越障,且可以智能调节姿态,使机器人恢复稳定。

关键词：倾翻姿态轨道焊接机器人智能越障路径规划稳定锥

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仿蟹机器人行走稳定性判定方法

高技术通讯 2013年第2期23卷 167-173页

作者：王立权王海龙陈曦哈尔滨工程大学机电工程学院哈尔滨150001 哈尔滨工程大学自动化学院哈尔滨150001

为了准确评价仿蟹机器人的行走稳定性及稳定裕度,提出了一种适用于多足机器人动态稳定性的判定方法。该方法首先分析引起机器人行走倾翻的各种干扰项,利用三维力传感器测量足端落地时的接触力,根据达朗贝尔原理将其向机器人质心等效获... 详细信息

为了准确评价仿蟹机器人的行走稳定性及稳定裕度,提出了一种适用于多足机器人动态稳定性的判定方法。该方法首先分析引起机器人行走倾翻的各种干扰项,利用三维力传感器测量足端落地时的接触力,根据达朗贝尔原理将其向机器人质心等效获得质心点倾翻合力;然后结合实验得到八足仿蟹机器人质心波动,通过解空间矢量方程得到倾翻轴垂线矢量;最后将倾翻合力与倾翻轴垂线矢量相结合建立起力角稳定裕量(FASM)的数学模型,以归一化FASM的大小来间接判定机器人的稳定性。仿真和实验结果表明,该方法能够准确判定仿蟹机器人行走稳定性并动态显示稳定裕度变化。

关键词：仿蟹机器人倾翻稳定性稳定锥力角稳定裕量(FASM)

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智能轮椅稳定性分析与路面点云地形识别

智能轮椅稳定性分析与路面点云地形识别

作者：韩天祺大连理工大学

学位级别：硕士

智能轮椅相对于普通的电动轮椅具有更加安全、高效和便捷等特点,因此未来在社会中将会被行动不便的老年人和残障人士广泛使用。近些年,国内外对于智能轮椅的研究取得了很大的进展,在人机交互、障碍躲避和自主导航等方面取得了丰富的成... 详细信息

智能轮椅相对于普通的电动轮椅具有更加安全、高效和便捷等特点,因此未来在社会中将会被行动不便的老年人和残障人士广泛使用。近些年,国内外对于智能轮椅的研究取得了很大的进展,在人机交互、障碍躲避和自主导航等方面取得了丰富的成果。智能轮椅在行进过程中遇到复杂地形时,如斜坡、台阶、凹道等,更需要及时准确的控制。如果对当前情况没有快速准确的识别和判断,轮椅可能会发生失稳现象,保持原来的运动状态将会导致严重的后果。本文通过研究三维点云去识别不同种类地形,同时计算地形参数;根据自身的运动状态进行运动稳定性分析,做出安全高效的稳定性判断。本文研究内容包括以下三个方面:(1)智能轮椅硬件系统搭建。本文改造电动轮椅,为电动轮椅添加电机驱动器、旋转编码器、运动解算模块、三维扫描系统和工控机。改造后的智能轮椅可以采集环境三维点云数据和精准控制智能轮椅运行状态,同时具有地形识别和稳定性判断的功能,是符合本文研究要求的硬件实验平台。(2)提出适用于智能轮椅的基于稳定锥模型的稳定性分析方法。本文深入研究智能轮椅的运动稳定性,分析智能轮椅的滑移稳定性,得出其最大滑移角参数,利用稳定锥模型分析其倾翻稳定性,得出其最大倾翻角参数。两个角度参数完整概述了生活中轮椅的失稳情况,结合两个角度参数归纳总结了适合智能轮椅的稳定性判定理论。本文使用ADAMS软件对智能轮椅模型和不同种类的地形进行建模,并且在不同参数的地形上进行运动仿真来验证稳定性理论的适用性。(3)提出基于线点云几何不连续点的路面地形识别方法。由于点云数据的扇形分布特点,本文将面点云数据拆分成有序的线点云离散曲线进行识别研究,从而可以更好地划分横向区域。通过线点云离散导数的计算得出线点云的几何特性,并由此提取线点云中的不连续点。提取不同种类地形线点云数据的有序不连续点,识别不同种类地形,提出了对于典型地形的识别方法。将线点云识别方法推广到面点云识别中,通过邻域滤波的方法,有效地降低了识别误差。通过仿真地形和实际地形的识别实验可以得出,本文提出的地形识别方法具有很好的准确度。本文搭建的智能轮椅硬件系统具有较高的可靠性,提出的智能轮椅稳定性分析方法可以分析智能轮椅的多种稳定性,提出的路面地形识别方法具有较高的准确度和可靠性。

关键词：智能轮椅稳定锥三维点云几何特性估算地形识别