成果介紹
近年來，幫助步行障礙患者康復(fù)訓(xùn)練的機(jī)器人得到了廣泛發(fā)展，通常步行訓(xùn)練機(jī)器人需要跟蹤醫(yī)生指定的訓(xùn)練軌跡，為了提高跟蹤精度，研究者們提出了多種控制方法。然而，目前這些結(jié)果大多是在假設(shè)康復(fù)者和機(jī)器人之間不產(chǎn)生相互作用力的理想情況下得到的，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大局限性。
事實(shí)上，康復(fù)機(jī)器人在輔助患者訓(xùn)練過程中會(huì)產(chǎn)生多種相互作用力，如前臂對(duì)扶板的壓力、扶把手的力、主動(dòng)邁步的推力等，如圖1。這些力會(huì)嚴(yán)重影響機(jī)器人的跟蹤性能，甚至?xí)a(chǎn)生較大的跟蹤誤差，導(dǎo)致機(jī)器人碰撞室內(nèi)物體而威脅康復(fù)者的安全。近幾年，關(guān)于人機(jī)接觸?(Human-robot interaction)問題的研究受到了學(xué)者們關(guān)注，目前主要有三種處理方式：(1)人機(jī)接觸控制(Human-robot interaction control)，僅僅限制機(jī)器人的關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)空間，忽略了康復(fù)者對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的影響，無法實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)調(diào)；(2) 人機(jī)阻抗控制(Human-robot impedance control)，該方法難以在運(yùn)動(dòng)空間中獲得滿意的阻抗；(3) 肌電信號(hào)方法(Electomyography, 簡稱EMG)，通過傳感器測量人體EMG，但不易確定肌肉力量和EMG之間的關(guān)系。由此可見，對(duì)人機(jī)接觸問題的研究還沒有得到統(tǒng)一的方法，依然具有挑戰(zhàn)性。
此外，在康復(fù)訓(xùn)練過程中，由于機(jī)械故障、外界干擾等不可預(yù)見因素會(huì)使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度和軌跡發(fā)生突變，為了保證人機(jī)系統(tǒng)的安全，同時(shí)限制機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)軸的速度跟蹤誤差和軌跡跟蹤誤差不容忽視。常規(guī)飽和函數(shù)法、有界Lyapunov函數(shù)法和主動(dòng)限制速度法，由于無法同時(shí)約束多個(gè)變量，因此不能將各運(yùn)動(dòng)軸軌跡跟蹤誤差和速度跟蹤誤差限制在指定范圍內(nèi)。
鑒于以上分析，針對(duì)一種康復(fù)步行訓(xùn)練機(jī)器人(Omnidirectional Rehabilitative Training Walker, 簡稱ODW) 提出了人機(jī)作用力觀測和各運(yùn)動(dòng)軸最優(yōu)軌跡跟蹤預(yù)測控制方法，專有技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域包括：
(1) 根據(jù)人機(jī)作用力對(duì)ODW運(yùn)動(dòng)位置的影響，利用自有技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新穎的觀測器，獲得了人機(jī)相互作用力。
(2) 利用自有技術(shù)，提出了一種非線性控制器設(shè)計(jì)方法，抑制了人機(jī)作用力對(duì)跟蹤性能的影響，并利用機(jī)器人冗余結(jié)構(gòu)特性，得到了各運(yùn)動(dòng)軸系統(tǒng)模型；進(jìn)一步結(jié)合預(yù)測控制，同時(shí)約束了速度跟蹤誤差和軌跡跟蹤誤差，首次實(shí)現(xiàn)了各運(yùn)動(dòng)軸最優(yōu)軌跡跟蹤，如圖2。
(3) 本成果適用各類人機(jī)接觸的輪式康復(fù)機(jī)器人、輪式服務(wù)機(jī)器人。
