Mechanics analysis of a wheelchair robot with wheel-track coupling mechanism

A barrier-free wheelchair robot with a mechanism coupled by wheel and track is presen- ted in this paper. Using the wheelchair, the lower limb disabled persons could be more relaxed to take part in outdoor activities whether on flat ground or stairs and obstacles in the city. The wheel- track coupling mechanism is designed and the stability of the bodywork of the wheelchair robot on the stairs is analyzed. In order to obtain the stability of wheelchair robot when it climbs obstacles, centroid projection method is applied to analyze the static stability, stability margin is proposed to provide the stability under some dynamic forces, and the push rod rotation angle in terms of the guaranteed stability margin is given. Finally, the dynamic model of the wheelchair robot based on Lagrange equation is established, which can be a theoretical foundation for the wheelchair control system design.

Modeling and analytic optimization of dynamic comfort for wheelchair robots undergoing random roads

To make a rapid comfort assessment and a reasonable dynamic parameters choice of wheelchair robots,this paper proposes a dynamic comfort coefficientκand analytically optimizes the cushion damping.Firstly,a traveling vibration model of the occupantwheelchair system for wheelchair robots running on random roads was created.Secondly,the analytic formula of the occupant RMS(root mean square)acceleration was deduced.Moreover,the dynamic coefficientκwas proposed and its influence laws were revealed.Finally,the cushion system optimal damping ratio was calculated based onκ.The results show that theκvalue is only determined by the parameters of the occupant-wheelchair system.The smaller theκvalue is,the better the dynamic comfort is for wheelchair robots running on random roads.By minimizingκ,the occupant-wheelchair system can achieve a statistically optimal dynamic comfort effect.

康复机器人研究进展

目前,康复机器人已经成为机器人领域的研究热点。详细介绍了康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢及康复治疗机器人的国内外研究现状,并探讨了今后的发展方向。

基于倾翻与滑移稳定性准则的轮椅机器人爬楼梯控制方法

提出一种采用单节变形履带机构的轮椅机器人。这种机器人能够通过前、后2组摆臂同时控制履带形状与张紧力,使履带更好地与障碍物相适应,从而提高传统轮椅及现有履带式轮椅机器人的越障能力。针对机器人爬越楼梯过程,提出一种过约束状态下履带与楼梯间作用力的近似求解方法,并结合履带与楼梯间的滑移分析建立了一种能够同时评判机器人倾翻与滑移情况的稳定性准则。在所建立稳定性准则的基础上,进一步制定了机器人自主爬越楼梯控制方法,并通过实验验证了控制方法的有效性。

WT轮椅机器人攀爬楼梯过程动力学建模与控制

分析出WT轮椅机器人与楼梯环境相互作用的特点,归纳出攀爬过程中轮椅机器人可能出现的模式和确定所处模式的判据。针对WT轮椅机器人较复杂且带有完整约束的混联机构,提出了具有对称的独立广义坐标和对称的完整约束的机构化简定理和一种设计完整或非完整机器人系统控制律的思路,给出了WT轮椅机器人在攀爬楼梯过程中各模式下的Lagrange动力学方程以及保持轮椅座椅水平的各关节广义坐标的规划轨迹,并结合计算力矩法设计出WT轮椅机器人的主动张紧力控制,即在对各关节变量参考输入曲线跟踪的同时,实现了对完整约束的约束反力参考输入曲线的跟踪。最后应用Matlab中的STATEFLOW模块对WT轮椅机器人攀爬楼梯过程的动力学模型和控制律进行仿真,并通过样机试验验证其有效性。

采用单节变形履带机构的新型轮椅机器人

提出一种采用单节变形履带机构的轮椅机器人。该机构能够通过两组摆臂的转动对履带形状与张紧力进行主动控制,以使履带形状更好地与障碍物相适应,从而提高传统轮椅的越障能力。在对比现存各种轮椅机器人越障机构特点的基础上,介绍这种新型轮椅机器人的机构方案及对楼梯这种典型障碍物的爬越过程。针对爬越楼梯这一越障运动,将轮椅机器人转换成等效串联机器人,建立用于描述机器人位置及履带形状的几何模型,并给出基于拉格朗日动力学方程的机器人主动构件驱动力矩的优化求解方法。通过仿真得到了轮椅机器人爬越楼梯过程中各主动构件驱动力矩的变化情况,进而指导完成了机器人驱动系统与机械结构设计并制作出原理样机。通过样机爬越楼梯试验验证了轮椅机器人的越障能力。

一种新型轮椅机器人爬越楼梯过程倾翻稳定性分析

提出了一种采用新型变形履带机构的轮椅机器人,这种新型机构能够在主动张紧力控制的基础上配合"凸"形地形使履带构型产生"凹"形变。针对爬越楼梯这种典型的越障运动,给出了机器人构型变化规律以及乘坐者姿态描述方法,并利用Force-Angle方法通过系统质心计算以及危险倾翻边线判定得到了能够反映机器人爬越楼梯过程倾翻稳定性状况的倾翻稳定角。仿真分析了机器人在自身不同运动状态及乘坐者不同姿态等影响下爬越楼梯过程的倾翻稳定性变化情况。

面向机器人轮椅交互控制的头姿估计改进方法

针对现有最近点迭代头姿算法存在迭代次数偏多且易陷于局部最优、随机森林头姿算法准确性和稳定性不高的问题,面向机器人轮椅交互控制,提出一种基于随机森林与最近点迭代算法融合的头姿估计改进方法。该方法首先对带有背景、噪声及孔洞的原始点云数据进行预处理,得到头部有效三维点云;其次,在分析传统最近点迭代算法基础上,研究头姿估计过程中的权重序列计算方法,提高了系统实时性;最后,基于随机森林算法估计头部粗略姿态,并将其作为最近点迭代算法初值,进一步迭代头姿实时点云,精炼实时头姿。实验结果表明,改进后的头姿估计方法较传统最近点迭代算法减少了迭代次数且避免了陷于局部最优,准确性及稳定性优于传统随机森林算法。

可上下楼梯轮椅机器人的现状研究概述

按照地面移动机构的形式对可上下楼梯的轮椅机器人进行分类,可以将目前所出现的轮椅机器人分为轮式、腿式、履带式以及复合形式的轮椅机器人。分析了各种形式轮椅机器人上下楼梯时的越障性能和特点,通过对比得到各类型轮椅机器人的优缺点,最后给出了设计轮椅机器人时需要考虑的要素和设计方向。

室内移动轮椅式机器人的运动控制研究

针对室内移动轮椅式机器人在运动过程中,机器人特性受到材料磨损、环境差异等因素的影响而发生改变,导致采用经典PID的控制出现超调量大、响应慢、易振荡等问题,本文提出采用模糊推理获取PID参数的方法。设计了机器人的运动控制系统;建立了机器人的运动学模型;结合实际操作人员控制机器人的实际经验,采用模糊推理得到PID的控制参数;最后,进行了机器人的实验。实验结果表明,采用模糊PID能有效地减小航向角的偏转误差,降低系统的超调量,提高系统性能。

基于神经网络的改进行为协调控制及其在智能轮椅路径规划中的应用

针对传统的基于行为的智能轮椅的路径规划方法在室外非结构环境下的路径规划效果差的问题,提出一种新的智能轮椅的路径规划算法.该算法利用模糊逻辑设计了基本控制行为,并在此基础上结合大量实际经验使用神经网络设计了行为协调控制器.改进的算法将仲裁机制和命令融合机制2种行为协调方法有效结合起来,并吸收了这2种行为协调方法的优点,从而改善了系统的反应速度,极大提高了控制精确;另一方面,该算法还可以识别陷阱区域并通过自主改变行为的权重方法控制轮椅逃出陷阱区域,因而具备了较强的人工智能特征.仿真和实物实验验证了该算法智能性高且实现简单,适用于室外非结构化环境下的机器人路径规划.

智能轮椅的研究现状和发展趋势

本文比较详尽地介绍了智能轮椅的国内外研究现状 ,论述了研究中若干关键技术问题 ,并简要分析了其发展趋势。

履带轮椅机器人爬楼姿态控制的研究

提出一种采用履带结构的轮椅机器人方案,并对其爬楼姿态的控制方法进行研究.利用6轴运动传感器获取机体爬楼时的姿态数据,超声波传感器采集机体两侧的距离数据,根据轮椅机器人自身特点与实际经验,使用模糊PID(Proportion Integration Differentiation)算法设计出模糊自整定PID控制器.通过在MATLAB/SIMULINK下仿真,该控制器能将方向角稳定在预定角度,建立稳态时间为0.17 s,最大超调量不超过7.2%.实际试验中,方向角稳定在预设值±0.2°内,具有很好的控制效果,实现了爬楼过程中的自动控制.

智能轮椅中人机界面的分类及评估

本文针对目前智能轮椅中已出现的诸如语音交互、头部运动等种类繁多的人机界面进行了归纳整理 ,从人的意识行为和能动性角度提出了一种新的分类方法 ,进而对各类人机界面的适用人群、硬件构成、成本估算以及产业化前景等方面进行了分析。从而有利于人机界面的行业标准的制定 ,也使得开发人员能够迅速定位自己开发产品所需的人机界面。

路面随机激励下康复机器人轮椅的抑振解析

为了有效抑制随机路面激励下康复机器人轮椅的振动,提出了一种抑制参数解析优化方法.将康复机器人轮椅的坐垫及轮胎视为具有刚度和阻尼的减振元件,建立了人体-机器人轮椅垂向振动模型;以路面不平顺随机激励作为振动模型的典型输入,推导了人体振动加速度频响函数及方均根响应解析式,并提出了振动响应系数,进而揭示了轮胎减振系统阻尼比及坐垫减振系统阻尼比对频响函数及响应系数的影响规律;基于响应系数,创建了人体-机器人轮椅抑振参数的解析优化模型.结果表明,通过解析优化模型所得坐垫及轮胎最优阻尼与数值模拟优化结果的相对偏差分别为0.3%和0.6%.模型的正确性通过实例优化及数值模拟得到了验证.

变形履带轮椅机器人的张紧力最优估计和越障能力分析

针对一种新型变形履带机构的轮椅机器人,提出了一种动态确定履带张紧力大小的最优估计算法.相对于传统的恒定张紧力履带式移动机构,动态确定张紧力显著地降低了功率损耗.考虑到张紧力的建模复杂性,文中采用模糊决策算法,将影响张紧力的主要因素输入模糊决策模块.然后结合最小二乘法得到履带张紧力的最优估计算法.鉴于轮椅机器人越障过程中移动速度较慢的特点,结合张紧力最优估计算法结果对轮椅机器人上楼梯起始阶段进行了静力学建模.仿真结果证明了利用张紧力估计算法的越障轮椅机构能够平稳爬楼梯,同时也表明了动态张紧力算法大大降低了驱动功率损耗.

智能轮椅担架车的折展机构设计与分析

针对智能轮椅担架车折展状态之间的转换难题,提出单自由度5杆机构,对该机构进行详细的设计与分析.通过最小包容面积法,得出扶手连杆和连架杆的最优尺寸,分别为507.9和332.5 mm;基于连杆机构的静力学分析,采用6根扭簧和RV减速电机作为连杆机构的驱动装置,减少了电机的驱动力矩,整体结构紧凑.根据优化参数和驱动装置的计算结果,开展智能轮椅担架车折展机构的设计,分析扶手构件在如厕状态和折展状态时的应力变化,验证了该构件强度的可靠性.研制智能轮椅担架车,采用不同重量的实验人员进行折展机构的性能测试,从机构的运动过程和电机电流变化来看,所设计的驱动装置和优化参数结果合理.

机器人轮椅用户行为与自主导航动态共享控制方法

机器人轮椅人机交互研究表明长时间采用单一模式交互容易导致用户操作意图误判且稳定性会变差,完全自主模式亦会因用户缺乏控制体验而产生沮丧情绪。针对当前基于人机协作的机器人轮椅交互存在模式间硬切换与缺乏对环境变化的动态调整能力的问题,本文以手势交互控制轮椅为基础,提出一种基于用户行为与自主导航相结合的机器人轮椅动态共享控制方法。首先基于Leap Motion传感器追踪用户掌心坐标,生成用户手势速度指令;其次,基于RPLIDAR A1激光雷达传感器并结合自主导航算法,生成自主导航控制指令;最后基于距离、疲劳及误差等多种约束条件实时更新人-机控制指令权重,实现对机器人轮椅的动态共享控制。实验结果表明,本文所提动态共享控制方法能根据轮椅运行环境与用户操作性能动态调整不同模式间的角色分配,避免了不同模式间的直接硬切换,具有较好的用户体验。