載人兩足步行椅機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定性分析與控制策略.pdf

1、近年來(lái)，助老助殘的服務(wù)機(jī)器人研究迅速發(fā)展，取得了顯著的成就。其中載人兩足步行機(jī)器人是研究的熱點(diǎn)之一。載人兩足步行機(jī)器人的研究與應(yīng)用為下肢殘疾人提供了一種新的選擇，與傳統(tǒng)的輪椅相比較，其對(duì)活動(dòng)空間環(huán)境的適應(yīng)力更強(qiáng)，比如能夠更好的實(shí)現(xiàn)上下樓梯和傾斜路面的行走。載人兩足步行機(jī)器人具有安全性要求高、載荷大以及乘客運(yùn)動(dòng)干擾不可控等特點(diǎn)，因此其步態(tài)穩(wěn)定性要求比傳統(tǒng)的非載人兩足步行機(jī)器人要求更高。要完成安全穩(wěn)定的載人行走任務(wù)，就必須提取乘客的有效信息

2、，分析人體的能動(dòng)性(即干擾)對(duì)載人兩足步行機(jī)器人系統(tǒng)步態(tài)穩(wěn)定性的影響，這是保證載人步行系統(tǒng)絕對(duì)安全的必要條件。
　　 基于現(xiàn)有的兩足機(jī)器人及其步態(tài)穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)，以一種12自由度的載人兩足步行椅機(jī)器人JWCR為平臺(tái)，進(jìn)行了載人兩足步行椅機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定的分析與仿真實(shí)驗(yàn)。引入“人在環(huán)中”系統(tǒng)的概念，即系統(tǒng)中子操控人員根據(jù)從設(shè)備和環(huán)境中獲得的信息做出判斷，控制設(shè)備完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)，同時(shí)系統(tǒng)考慮子操控人員對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)的干擾，從而對(duì)控制信號(hào)進(jìn)

3、行實(shí)時(shí)反饋和修正的系統(tǒng)。考慮到乘客對(duì)機(jī)器人步態(tài)穩(wěn)定的影響，對(duì)機(jī)器人數(shù)學(xué)建模、步態(tài)規(guī)劃、穩(wěn)定性分析以及步態(tài)實(shí)時(shí)控制策略進(jìn)行了研究。主要的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
　　 1)介紹了載人兩足步行椅機(jī)器JWCR的主要特點(diǎn)：關(guān)節(jié)采用結(jié)構(gòu)緊湊、計(jì)算簡(jiǎn)便的正交型結(jié)構(gòu)；膝關(guān)節(jié)附設(shè)自鎖裝置；坐墊下增設(shè)了被動(dòng)懸掛式減震裝置；增設(shè)了主被動(dòng)安全保護(hù)裝置。
　　 2)對(duì)載人兩足步行椅機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)模型和逆運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行了分析。考慮到這是一個(gè)“人在環(huán)

4、中”的系統(tǒng)，首先建立了步態(tài)規(guī)劃的前向運(yùn)動(dòng)八連桿模型和側(cè)向運(yùn)動(dòng)六連桿模型，并應(yīng)用拉格朗日方程建立了步行椅機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。
　　 3)基于零力矩點(diǎn)(ZMP)判據(jù)對(duì)“人在環(huán)中”的兩足步行椅機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，并分析了步態(tài)的穩(wěn)定性，包括起步、中步和停步階段的前向和側(cè)向步態(tài)。對(duì)步行椅機(jī)器人的離散步態(tài)進(jìn)行了matlab仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所提出的規(guī)劃方法是合理可行的。
　　 4)研究分析了作為干擾源的乘客其波動(dòng)參數(shù)對(duì)步行椅