机器人杂志

机器人杂志2021年第5期

• 基于柔性驱动关节的下肢外骨骼双模态切换控制

  陈朝峰, 杜志江, 张慧, 董为

  为了提高外骨骼关节柔性以及穿戴舒适性，设计了基于柔性驱动关节的可穿戴式下肢外骨骼，同时针对下肢外骨骼在控制的不同相位阶段其侧重点不同的特点，提出基于双模态切换的混合控制策略．首先，针对下肢外骨骼关节的柔性问题，设计了基于双平行弹簧的串联弹性体，并将其安装于外骨骼关节驱动模块，通过双编码器实现关节力矩和位置信息的反馈．然后，分析外骨骼在不同步态相位的运动特征，提出了双模态切换控制策略，即支撑相采用自适应阻抗控制算法来提高稳定性和抗冲击能力，摆动相采用自抗扰－终端滑模控制算法来提高响应速度和跟踪精度．最后，通过控制仿真和主被动跟踪实验，验证了本文算法相较于传统PID（比例－积分－微分）和自抗扰控制算法的优越性．被动跟踪实验结果说明当关节误差收敛范围在±5%时，收敛时间可达0.28：s；在主动跟踪实验中，实验人员穿戴外骨骼时髋关节和膝关节最大均方根误差分别为0.47°和1.28°，说明本文控制算法可以实时跟踪人体运动意图，满足人机交互柔顺性需求．

• 基于特征工程与级联森林的中风患者手部运动肌电识别方法

  胡少康, 张道辉, 赵新刚, 褚亚奇, 张立新, 赵利娜

  针对基于表面肌电（sEMG）信号的中风患者运动意图识别率低的问题，提出了一种高识别率且适用于不同康复等级患者的手部运动意图识别方法．首先，使用30名不同康复等级患者的表面肌电数据进行了基于tsfresh库的特征提取和基于Feature-Selector库的特征选择，确定了最合适的滑动窗参数及适合患者运动识别任务的特征．然后，使用该方法进行动作识别实验，并和随机森林、卷积神经网络等方法比较，实验结果表明该方法对9种常用手部康复动作的平均识别精度为97.94%．最后，基于该方法开发了手部康复系统，通过在线识别实验分析了系统的实时性，并设计了患者跟踪实验以验证系统对患者手部康复的有效性．

• 基于任务表现的机器人辅助康复自适应控制策略

  苗青, 孙晨阳, 张明明, 褚开亚

  以机器人辅助的上肢协调康复训练为研究对象，提出一种基于任务表现的自适应控制策略，为肢体运动功能障碍患者提供个性化的机器人辅助，旨在提高患者的主动运动参与度，实现高效的康复训练．首先，介绍上肢末端式双边康复平台以及协调训练任务．然后，引入临床运动评估参数与协调训练指标，采用模糊神经网络模型建立多任务指标与机器人导纳控制参数间的映射关系．最后，通过受试者参与的协调训练实验对所提出方法进行了验证，并与相关文献中的人机交互策略进行了对比分析．实验结果表明，本文方法具有较好的任务指标追踪效果和人机交互平稳性，能够自适应为患者提供个性化的机器人辅助，有助于提高受试者的训练积极性．

• 下肢康复机器人的主动柔顺自适应交互控制

  梁旭, 王卫群, 苏婷婷, 侯增广, 何广平, 任士鑫, 石伟国

  为了更好地给患者提供稳定、舒适且具备主动柔顺性的康复训练环境，提出一种基于阻抗参数自适应调节的下肢康复机器人主动柔顺交互控制方案，该方案由外环的阻抗参数调节和内环的轨迹跟踪两部分构成．首先，针对康复训练过程中人体阻抗参数动态变化的问题，提出了模糊自适应阻抗参数调节器，将人机交互作用力、位置误差与速度误差作为输入，并采用模糊推理实时调整阻尼系数与刚度系数，实现对人体阻抗的自适应．其次，设计了间接自适应模糊控制器，合理构造模糊系统逼近未知非线性系统，对反映患者运动意图的设定轨迹进行稳定跟踪，利用李亚普诺夫分析方法证明了系统的稳定性．最后，通过仿真实验将本文方法与一般的固定期望阻抗参数方法对比，结果表明本文方法下的髋、膝关节轨迹的最大偏差分别降低53.43%和66.87%，验证了所提方法的可行性与有效性．

• 基于核化运动基元的外骨骼膝关节步态轨迹在线规划

  周智雍, 钱伟, 丁加涛, 肖晓晖, 郭朝

  为了提高外骨骼机器人的适应性与人机交互安全性，提出了一种基于核化运动基元的步态轨迹规划算法，可根据使用者步态状态实时调整步态轨迹．在外骨骼膝关节上对算法进行了验证．结果表明，利用小样本量训练数据，算法能够通过在线调整形状参数，保证预测轨迹与参考轨迹的形状相似；通过实时检测步态相信息，并在期望点处对步态轨迹进行在线调整，可生成适应使用者状态变化的运动轨迹．

• 胸腹腔经皮穿刺机器人研究进展及关键技术分析

  段星光, 温浩, 何睿, 李学松, 邱建星

  为促进我国经皮穿刺机器人的研究与发展，综述了国内外胸腹腔经皮穿刺机器人的研究现状．对穿刺机器人所涉及的术区信息感知、柔性针穿刺、运动规划、主从控制、安全交互控制等关键技术进行了讨论与分析．在总结研究成果与分析关键技术的基础上，指出胸腹腔经皮穿刺机器人今后的发展趋势与面临的挑战．

• 截瘫助行外骨骼研究综述：从拟人设计依据到外骨骼研究现状

  陈豫生, 张琴, 熊蔡华

  围绕截瘫助行外骨骼（WAEX）研究现状，结合人体运动机理研究成果，对助行外骨骼研究的局限性、人体下肢仿生基础研究进行了综述，在此基础上对实现平衡稳定、运动功能丰富、穿戴舒适的助行外骨骼提出了拟人设计与研究的建议与展望．首先，分析和总结了现有截瘫助行外骨骼在稳定性、功能性和舒适性等方面的局限性．其次，鉴于拟人设计对外骨骼创新研究的重要性，阐述了人体下肢的神经肌肉骨骼结构、信息感知和神经控制等对下肢运动与平衡的重要贡献．再次，总结了现有截瘫助行外骨骼在结构、驱动、感知和控制等方面的典型设计方案．最后，基于现有助行外骨骼及其期望目标之间的差距，对影响和改善助行外骨骼稳定性、功能性和舒适性的关键技术与研究趋势进行了总结与展望．

• 康复机器人及其临床应用综述

  程洪, 黄瑞, 邱静, 王艺霖, 邹朝彬, 施柯丞

  对康复机器人及其临床应用研究进展进行了综述，从运动障碍康复机器人和认知障碍康复机器人方面对康复机器人进行了归纳总结，并针对每项技术提出了一些发展趋势的展望．最后以脑卒中患者的临床康复为例介绍了康复机器人在其康复训练中的临床应用案例及其发展趋势．

• 可动态重构的旋翼飞行器设计与运动特性分析

  赵昌丽, 郭达, 王续乔, 尹鹏飞

  针对旋翼飞行器因机体结构受运动路径中空间变窄限制而无法连续穿越的问题，研究设计了一种可动态重构的旋翼飞行器，通过改变机体构形实现对空间变化的运动应对，提高飞行器在复杂环境下连续运动作业的能力．该系统采用链式模块化结构，通过旋转关节实现构形的2维变化．根据机体结构特点和运动控制方式，基于D-H（Denavit-Hartenberg）规则推导了空间变换矩阵，求解了变化重心，建立了机体运动学模型．基于几何、动力和控制响应约束，提出了构形变换的求解方法，并针对该模型给出了边界条件．最后进行了飞行器稳定性、操纵性及临界构形实验．结果表明，构形变换过程中，飞行器姿态稳定，无明显突变，各轴向最大变化量在4°以内；濒近临界构形时飞行器操控顺畅，跟踪控制响应能够在0.1：s内完成．实验验证了姿态可控的临界构形角度集为180°，180°，113°，通过几何运算，采用固定航向方式，飞行器的通过半径可缩小21.89%，结合航向控制的方式，最大通过半径可缩小67%．飞行器具备稳健完成动态重构和通过窄间隙的能力．

• 一种基于近场子集划分的多机器人任务分配算法

  宋薇, 高原, 沈林勇, 章亚男

  针对医护人员重复、机械地配送医疗物资工作效率低的问题，使用了多机器人进行替代，并提出了一种基于“任务地点”近场子集划分的多机器人群体智能任务分配算法．首先采用蚁群算法对任务集进行有序排列，形成一条近场相关的任务链．然后根据任务完成的时间和机器人的路径成本设计目标优化函数，利用遗传算法对该任务链进行子集划分，再将任务子集分配给机器人个体．最后模拟了医院病房的应用场景，设计并搭建了一套多机器人医疗物资运输分配系统．用户在该系统的操作平台上，通过可视化界面能够实时发布新任务，查看已发布任务的分配情况，以及查看机器人的路径．基于该模拟实验平台，对3种不同的任务分配算法进行对比分析，结果是本文算法的分配结果最为合理，所有任务都在规定的时间内完成，机器人的行驶距离大幅缩短．所提出的多机器人任务分配算法可有效解决医疗环境中医疗物资的配送问题，提高了系统的工作效率．