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【天富总代理】一款可以爬楼梯的轮椅机器人

轮椅是老年人和身体残疾者日常生活的主要交通工具。然而,它无法克服路边和楼梯等建筑障碍。在本研究中,研究者开发了一种用于爬楼梯的倒摆式机器人轮椅。该轮椅有一个座椅滑块,两侧的前后轮之间有两个旋转链接。在爬楼梯时,轮椅一边旋转旋转连杆,一边利用座椅滑块控制重心的位置,保持移动体的倒立状态。在以往的研究中,研究者确认了应用由重心控制阶段和旋转链节控制阶段组成的控制方法,轮椅可以爬楼。但是,在爬行过程中,由于爬行速度较快会导致车轮移动,轮椅会掉落,因此旋转链节的旋转时间约为15秒。该研究主要研究了一种在爬楼梯速度提高时约束车轮移动的控制方法。研究者意识到这种运动是由作用在俯仰角上的力引起的,如惯性力和驱动力的反作用力。考虑到俯仰角的动态平衡,研究者提出了该方法,并确认了应用该方法时约束车轮运动的效果。本文以“Attitude control of an inverted-pendulum-type robotic wheelchair to climb stairs considering dynamic equilibrium”为题于2020年5月16日发布于《ROBOMECH Journal》杂志上。

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实验背景与研究结果

近年来,老年人和残疾人的人数有所增加,对电动轮椅的需求也有所增加。然而,由于在使用标准EPW时很难进入有限制和楼梯的某些地区,与健康人相比,活动范围有限,导致生活质量下降。因此,已经建立了若干机制,可以在不需要照顾者援助的情况下进入这些地区。这些机构的特点因接地方式不同而不同,可分为三类:爬行式机构、多点接地式机构和两点接地式机构。

使用爬行器和车轮相结合的机构;爬梯时使用爬行器,在平坦的地面上使用车轮。爬行器上爬楼梯时的地面接触面仅在楼梯的边缘。因此,人们认为最好使用梯度小的楼梯。搬运工和MeBot是多点接地式机构的例子,通过在爬楼梯时创建三个或更多的地面接触点来保持静态稳定。这些机制允许安全爬升,因为在任何时候都能保持静态稳定。然而,有几个行动需要执行的爬楼梯,这使得爬楼梯耗时。此外,由于机械结构复杂,起落架的尺寸大,一些楼梯不可能爬升取决于踏面的长度。IBot采用两点接地式机构,由两个左右轮和一个连接两侧前后轮的旋转连杆组成。IBOT通过重复四点和两点接地状态来爬升.无论楼梯的坡度和踏面的长度,大约每步爬3s是可能的。然而,由于楼梯上的两点接地处于静态不稳定状态,乘客必须在没有照顾者的帮助下保持扶手的平衡以爬楼梯。因此,iBOT不适合作为老年人上下半身功能受限的活动支持设备。

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图为机器人轮椅

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图为建议轮椅的机构

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图为座椅振动试验

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图为控制系统设计的简化模型

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图为爬楼梯的顺序。a重心控制阶段,b旋转链路控制阶段,c倒置运动控制阶段

该机构允许通过切换两种工作模式:重心控制阶段和旋转链路控制阶段的楼梯,如图所示。在踏面足够长的楼梯上使用。重心控制阶段是前轮倒立摆控制的准备阶段.当所有前轮和后轮都与地面接触时,EPW的重心通过移动滑块在前轮上方移动。在此阶段,滑块移动到目标位置,并进行比例差动控制和重力补偿,使旋转连杆和车轮的旋转角度不发生变化。在旋转连杆控制阶段,旋转连杆转动,当两个前轮进行倒立摆控制时,楼梯被切换。在此期间,从台阶形状出发,确定了旋转连杆转角的目标轨迹,并相应地计算了转轮转角和滑块位置的目标轨迹。该控制器将前馈控制和反馈控制相结合,前馈控制提供执行器输入跟踪目标轨迹,反馈控制补偿扰动和建模误差,提高跟踪目标轨迹的能力。

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图为爬楼梯系统的详细控制框图

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图为旋转链路控制阶段的三部分

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图为与旋转连杆旋转相关的轮转

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图为增益线性插值

从图中所示的实验结果来看。10随着爬楼梯速度的增加,接地轮的运动量增加。条件下俯仰角的变化T=15T=15和T=5T=5如图所示。虽然俯仰角保持在接近零,轮椅也不会坠落,但在以下情况下,接地轮会移动约30厘米,如果踏板的长度很短,它就会与楼梯的一侧相撞,导致轮椅坠落。显示实际接地轮位置的时间序列变化。如果研究者看一下白色的标记,研究者就可以看到轮子旋转的方式。

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图为特性测定实验结果

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图为爬楼梯时的车轮运动

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图为考虑动态平衡的控制

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图为连杆角速度平方与车轮加速度的关系

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图为考虑动态平衡的控制块

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图为爬楼梯时车轮角速度的偏差

车轮角速度偏差呈减小趋势,接地轮运动量减小。然而,理论上的主要目标是获得车轮角速度的零偏差,这说明由于重力作用于俯仰角上的力矩不能完全补偿。这可归因于未能跟踪滑块目标值的突然更改。

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图为楼梯与车轮的几何关系

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图为提高滑块跟随性能的控制

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图为爬楼梯时车轮角速度误差

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图为爬楼梯时的俯仰角

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图为爬楼梯演示实验

实验结论

综上所述,在该研究中,研究者提出了一种提高爬楼梯速度时,通过滑块机构控制重心的方法来改善倒立摆式机器人轮椅的稳定性。作为高速爬楼梯过程中遇到的一个问题,旋转连杆转动所产生的惯性力和驱动力的反作用力以及滑块的运动会影响非驱动俯仰角。因此,为了补偿这些影响,接地轮会移动,从而导致轮椅的坠落。因此,为了减少接地轮的运动量,对滑块的目标位置进行了更新,并利用更新的目标位置来补偿俯仰角的动态平衡。

结果表明,所构造的控制器对接地轮的运动有很大的抑制作用,在台阶高度为0.14m,旋转环节控制相位为5s的条件下,可以稳定地爬上楼梯。

在今后的工作中,研究者将提高用户操作EPW时的功能安全性,并提出相应的安全措施。

参考文献:Yuya Onozuka, Nobuyasu Tomokuni, Genki Murata & Motoki Shino Attitude control of an inverted-pendulum-type robotic wheelchair to climb stairs considering dynamic equilibrium  ROBOMECH Journal volume 7, Article number: 23 (2020)

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