[发明专利]一种防止老年人摔倒的人机协同控制系统及其控制方法

说明书

本发明公开了一种防止老年人摔倒的人机协同控制系统及其控制方法，采用前馈‑反馈复合控制方法，以助老伴行机器人期望控制目标参量为整个控制输入，将特征提取后的老年人手部施加在助老伴行机器人手柄上的触滑觉力信号的时域特征作为前馈补偿环节，消除触滑觉力对助老伴行机器人控制目标参量的影响；将实际测得的助老伴行机器人的控制目标参量作为反馈环节，提高助老伴行机器人控制目标参量的精度，实现防止老年人摔倒的人机系统协同控制。本发明能够实现老年人与助老伴行机器人较好的协同控制，对助老伴行机器人控制目标参量进行实时检测，能够较精确的达到期望的控制目标，实现人机系统的平衡稳定，从而达到防止老年人摔倒的目的。

技术领域

本发明属于机器人控制技术领域，具体涉及一种防止老年人摔倒的人机协同控制系统及其控制方法。

背景技术

随着很多国家迅速步入老龄化社会，越来越多的老年人患有运动机能障碍或者由神经系统控制能力下降、肌肉力量降低等引起的下肢虚弱，但其对自力更生和独立活动有着强烈的愿望，另外，日益增长的老年人数量导致护理的年轻人员短缺，因此，特别需要开发助老伴行机器人来代替护士和家人照看老年人。

世界上很多学者研究了各种老年人助行机器人，主要有：J S Kong等人研制的Walking Aid，它可以识别行走方向和速度协助老年人在室外散步；G H Yuk等人研制的Smart Mobile Walker，日本先进科学技术研究所G Lee等人研究的JAIST RoboticWalker，A Asker等人研制的老年人多功能移动性辅助设备，M K Moon等人研究的老年人服务机器人，上海交通大学初步完成了智能助行机器人概念样机，先后研发了多种型号的WalkMate助行机器人，浙江大学研制了一种搀扶助行机器人系统ZJU Walker，日本早稻田大学Nihei等研制了Tread-Walk系统，爱尔兰都柏林大学Shane MacNamara等开发了PAM-AID助行器，美国弗吉尼亚大学开发了一种三轮结构的助行机器人MARC Smart Walker，我们实验室从2009年开始研究的第一代助老伴行服务机器人，对于这一代助老伴行机器人我们课题组提出了一种用于控制机器人的触滑觉感知的检测和识别方法，研究了基于触滑觉传感器驱动的控制技术，而后我们实验室又根据现有老年人服务机器人存在的问题:

(1)人机交互不够自然。虽然已经开发了多种助老助行机器人人机交互接口，但是仍处于通过人机接口对设备进行简单控制的阶段，对使用者行动意图的理解能力还很有限，无法达到自然交互的目的；

(2)安全保障系统不够完善。目前已有的助老助行服务机器人均处于试验研究阶段，对于各种环境下危险发生的可能性以及相应的保障措施研究不够，安全保障问题是制约助老助行服务机器人应用于实际生活的关键障碍；

(3)控制系统实时性较差，功耗较大，续航能力不高。从2015年开始研究了一种功能齐全、结构舒适、安全可靠的新型的助老伴行服务机器人，对于该机器人我们已经研究了机器人的结构、运动分析和基于触滑觉感知的人机自然交互控制方法；研究了姿态转换和移动、转向的控制方法；研究了结构特性分析和基于触滑觉传感器的机器人模糊控制。到目前为止，我们一直在研究该机器人，然而，对于该机器人的助行姿态来说，人机系统的稳定性是一个重要的问题。