成果介紹
近年來，幫助步行障礙患者康復(fù)訓(xùn)練的機器人得到了廣泛發(fā)展，通常步行訓(xùn)練機器人需要跟蹤醫(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)者和機器人之間不產(chǎn)生相互作用力的理想情況下得到的，在實際應(yīng)用中具有很大局限性。
事實上，康復(fù)機器人在輔助患者訓(xùn)練過程中會產(chǎn)生多種相互作用力，如前臂對扶板的壓力、扶把手的力、主動邁步的推力等，如圖1。這些力會嚴(yán)重影響機器人的跟蹤性能，甚至?xí)a(chǎn)生較大的跟蹤誤差，導(dǎo)致機器人碰撞室內(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)人機接觸控制(Human-robot interaction control)，僅僅限制機器人的關(guān)節(jié)、運動速度和運動空間，忽略了康復(fù)者對機器人運動的影響，無法實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)；(2) 人機阻抗控制(Human-robot impedance control)，該方法難以在運動空間中獲得滿意的阻抗；(3) 肌電信號方法(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，對人機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，由于機械故障、外界干擾等不可預(yù)見因素會使機器人運動速度和軌跡發(fā)生突變，為了保證人機系統(tǒng)的安全，同時限制機器人各運動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)法和主動限制速度法，由于無法同時約束多個變量，因此不能將各運動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，針對一種康復(fù)步行訓(xùn)練機器人(Omnidirectional Rehabilitative Training Walker, 簡稱ODW) 提出了人機作用力觀測和各運動軸最優(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)人機作用力對ODW運動位置的影響，利用自有技術(shù)設(shè)計了一種新穎的觀測器，獲得了人機相互作用力。
(2) 利用自有技術(shù)，提出了一種非線性控制器設(shè)計方法，抑制了人機作用力對跟蹤性能的影響，并利用機器人冗余結(jié)構(gòu)特性，得到了各運動軸系統(tǒng)模型；進(jìn)一步結(jié)合預(yù)測控制，同時約束了速度跟蹤誤差和軌跡跟蹤誤差，首次實現(xiàn)了各運動軸最優(yōu)軌跡跟蹤，如圖2。
(3) 本成果適用各類人機接觸的輪式康復(fù)機器人、輪式服務(wù)機器人。
