人-机协同变柔顺的助行机器人坐-站转换运动控制

Standing/sitting is one of the most basic actions in daily life. Unable to stand/sit independently will influence elderly’s life seriously. To help and remain user’s motion ability, walking-aid robot should adjust dynamic stabilization and compliance in the process of sit-to-stand, and motivate his/her desire for exercising. Therefore, how to realize safe, stable and compliance sit-to-stand motion control by human-robot hybrid system is a significant challenge. Aim to the above problems and the requirements of safety and variable compliance for sit-to-stand motion control, this project solves the two following critical problems: 1) according to the movement characteristics in different sit-to-stand motion processes, relevant information of sit-to-stand and human-robot coupling, obtain exact and reasonable expression and analytical method of human-robot system coordination variable compliance; 2) under the constraints of human-robot system coordination variable compliance, combine position control and force control method, realize the human-robot system coordination variable compliance based sit-to-stand motion control algorithm for human-robot hybrid system. This project will provide reference for the studies of human-robot hybrid system motion control.

站立/坐下是人日常生活中最基础的动作之一，无法独立站立/坐下会严重影响老年人的生活质量。为了保留和逐渐恢复用户的运动能力，助行机器人在辅助站立/坐下的过程中，需要根据实时的坐-站运动状态调节动态稳定性和柔顺性，让人能够自然舒适地坐/站，激发他们的运动愿望。如何实现安全、稳定和柔顺的助行机器人坐-站转换运动控制是一个重大挑战。针对以上问题，同时考虑到人-机混合系统运动控制中对安全性和变柔顺性的要求，本项目拟解决以下两个关键性问题：1）根据不同坐-站运动阶段的特点、人-机混合系统的坐-站转换交连信息以及人-机耦合关系，得到准确、合理的人-机协同变柔顺的表达式和分析方法；2）在人-机协同变柔顺的约束下，结合位置控制和力控制，实现安全、稳定和柔顺的坐-站转换运动控制。本项目为研究人-机混合系统的相关运动控制提供参考和借鉴。

无法独立行走和站立会严重影响老年人的生活质量，而站立和坐下是人在日常生活中最基础的动作之一，传统的助行器类设备智能化程度不足，并且不具备辅助站立/坐下的功能。助行设备类设备在帮助用户的过程中，需要根据实时的坐-站运动状态调节动态稳定性和柔顺性，让人能够舒适自然地站立起来，激发他们的运动愿望。如何实现安全、稳定和柔顺的助行机器人坐-站转换运动控制是一个难题。针对以上问题，同时考虑到人-机混合系统运动控制中对鲁棒性和柔顺性的要求，本项目人-助行机器人混合系统模型，分析用户坐下和站立过程，建立包含力传感器、激光测距仪、可穿戴式传感器等的多传感器系统，得到实时的用户姿态和机器人运动状态信息；探索人-机混合系统在坐-站转换中的最优运动轨迹，在充分考虑对助行机器人运动控制的鲁棒性和柔顺性的前提下，以同时达到人体COM轨迹和人-机交互力跟踪为目标，设计助行机器人运动控制器，实现了柔顺的机器人坐站转换运动。本项目的实施为研究人-机混合系统的相关运动控制提供参考和借鉴。