智能助行机器人的实时避障与共享控制研究

摘要

进入21世纪以来，世界人口逐渐呈现出老龄化趋势。与此同时，各类事故、疾病与自然灾害的频发也使得伤残人员日益增加。这些人面临身体机能的退化与丧失，亟需进行康复训练以维持或恢复身体机能。现有的康复辅具难以满足他们的需求，因此研发智能康复机器人并尽快实现产品化成为了全世界的迫切需要。
　　目前的康复机器人研究主要存在用户的安全方面考虑不够全面、人机交互性较差以及功能单一等缺陷。针对这种情况，本文开发了一款智能助行机器人以帮助尚且具有一定行走能力的老年人和残疾人进行下肢康复训练。本文在助行机器人人机交互接口的设计上进行了创新：通过利用一组一维力传感器的合理布局，实现了准确识别用户意图同时降低了成本，并且利用激光雷达使助行机器人具有了实时避障的功能。本文设计避障算法以提升系统的安全性，应用人工势场法计算周边障碍物对助行机器人产生的斥力，同时设置标准路径对助行机器人产生引力；当助行机器人的紧急避障区内存在障碍物时则应用紧急避障算法来避免碰撞事故。本文还应用导纳控制算法将施加到助行机器人的作用力平滑转换为它的运动速度，结合人机交互接口，能够有效识别用户的运动意图方向和意图行走模式。最后本文综合考虑助行机器人与障碍物的距离，对标准路径的偏离程度，当前速度与设定最高速度的比值以及用户的平均速度，应用共享控制算法，让助行机器人在保证用户安全的前提下尽量顺应用户意图，使用户的操作更加平稳舒适。
　　本文设计了三个实验来验证上述设计与算法的有效性。首先进行意图识别实验，通过让不同实验者多次操作助行机器人到达指定位置并转换行走模式来证明人机交互接口与导纳控制算法对用户意图识别的准确性。之后让实验者同时模拟下肢行动不便者和视障患者，在相同室内环境下分别进行避障控制实验和共享控制实验。通过实验过程中相关参数的变化和行走路径的对比，可以证明避障算法的有效性，同时证明共享控制算法对用户控制效果的改善。
　　本文开发的助行机器人在人机交互接口设计，用户意图识别，避障控制与共享控制上均取得了一定的研究成果，为早日实现助行机器人的产品化做出了贡献。

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1 绪论

1.1论文的背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的研究方案与组织安排

2 助行机器人系统

2.1助行机器人的硬件系统结构

2.2助行机器人的人机交互接口

2.3助行机器人的软件系统

2.4坐标系的建立

2.5本章小结

3 基于人工势场法的助行机器人避障算法设计

3.1障碍物模型的建立与斥力计算

3.2基于路径规划与反馈控制的引力计算

3.3紧急避障算法设计

3.4本章小结

4助行机器人共享控制算法研究

4.1导纳控制算法设计

4.2共享控制算法设计

4.3整体控制算法

4.4本章小结

5 实验与分析

5.1助行机器人意图识别实验

5.2助行机器人避障控制实验

5.3基于共享控制的助行机器人行走实验

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1本文工作

6.2展望

致谢

参考文献

附录I 攻读硕士期间发表的文章和专利