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(1.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,西安 710049;2.西安交通大學(xué) 陜西省智能機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安 710049)
當(dāng)前社會(huì)隨著老齡化現(xiàn)象的加劇,全世界范圍內(nèi)的老年人口所占比重越來越大,而老年人由于年齡的增加,身體素質(zhì)也隨之下降,這給老年人的日?;顒?dòng)帶來了極大的影響,使得老年人的生活質(zhì)量得不到保障。而助老服務(wù)機(jī)器人[1-2]的出現(xiàn)可以輔助老年人進(jìn)行戶外活動(dòng),代替護(hù)理人員來幫助老年人進(jìn)行外出行走以及對(duì)老年人的護(hù)理工作,不僅如此,助老服務(wù)機(jī)器人還可以有效的保證老年人的出行安全,防止老年人因發(fā)生身體摔倒等而受到傷害,極大的提升了老年人的生活質(zhì)量。
面向老年人的服務(wù)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)下的研究熱點(diǎn),近年來國(guó)內(nèi)外已有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)此展開了研究[3-7],并在一定程度上取得了一定成果。名古屋大學(xué)的KoheiWakita開發(fā)了一種輔助老年人和殘疾人行走的手杖型智能機(jī)器人[8],利用(intentional direction,ITD)分析適用對(duì)象的力信息,得到使用對(duì)象的行動(dòng)意圖,在線預(yù)測(cè)得到使用對(duì)象的行走意圖,通過分析用戶的意圖對(duì)該智能手杖機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制;延世大學(xué)和LG公司的Hong-Gul Jun等人開發(fā)研制一種面向老年人群和有一定殘疾人群的助行機(jī)器人[9],該助行機(jī)器人主要由助行系統(tǒng)和sit-to-stand系統(tǒng)組成,旨在幫助使用對(duì)象獨(dú)立自主的完成站立和正常行走等日?;顒?dòng);卡耐基梅隆大學(xué)和匹茲堡大學(xué)的Hsin-yi Liu和Fu-Chieh Chuang等人研制的PSFs輪椅機(jī)器人[10]的主要功能是可以讓使用者自行調(diào)節(jié)電動(dòng)輪椅的姿態(tài),包括PSFs升降高度以及輪椅各模塊的角度,幫助那些失去運(yùn)動(dòng)能力的人能夠獨(dú)立的完成對(duì)PSFs的姿態(tài)的調(diào)節(jié)以達(dá)到一個(gè)讓使用者足夠舒服的角度,并通過VSC虛擬教練系統(tǒng)完成對(duì)使用者的訓(xùn)練,幫助他們能夠正確的控制PSFs改變姿態(tài)以及輪椅的移動(dòng)控制。
在對(duì)助老機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)上,機(jī)械結(jié)構(gòu)決定了機(jī)器人所能最終實(shí)現(xiàn)的功能,而控制系統(tǒng)則是能夠控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)這些功能。好的控制系統(tǒng)可以讓使用對(duì)象在操控機(jī)器人時(shí)更加方便自然,機(jī)器人在執(zhí)行這些操作時(shí)也能更加流暢自然。因此,本課題組設(shè)計(jì)開發(fā)了一臺(tái)助老伴行服務(wù)機(jī)器人[11-15],本文在助老伴行機(jī)器人機(jī)械本體的基礎(chǔ)上提出了一種觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案,其主要設(shè)計(jì)思路是:通過觸滑覺感知系統(tǒng)采集助老伴行機(jī)器人使用對(duì)象手部的觸滑覺信息,然后通過處理器對(duì)使用對(duì)象的控制意圖進(jìn)行識(shí)別,確定助老伴行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模式,并發(fā)送相應(yīng)的控制指令到助老伴行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行一系列動(dòng)作。為此本文開發(fā)并設(shè)計(jì)了一種助老伴行機(jī)器人觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),包括觸滑覺感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性。
助老伴行機(jī)器人通過觸滑覺感知系統(tǒng)與使用對(duì)象之間進(jìn)行交互,觸滑覺感知系統(tǒng)將采集到的觸滑覺信息輸入到處理器中進(jìn)行計(jì)算識(shí)別得到人的控制意圖,進(jìn)而確定相應(yīng)的助老伴行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)模式,然后轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制指令傳遞給驅(qū)動(dòng)器對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),最終完成整個(gè)操作過程,整個(gè)控制系統(tǒng)的總體方案如圖1所示。
圖1 觸滑覺感知控制系統(tǒng)總體方案框圖
助老伴行機(jī)器人觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括觸滑覺感知系統(tǒng)和助老伴行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)兩個(gè)部分。觸滑覺感知系統(tǒng)包括覺觸滑覺傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊以及微處理器,觸滑覺感知系統(tǒng)的核心部件是觸滑覺傳感器,是助老伴行機(jī)器人與使用對(duì)象進(jìn)行信息交流的關(guān)鍵;助老伴行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括微處理器、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路、故障檢測(cè)電路和左右兩個(gè)輪轂電機(jī),整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)以微處理器為中心,鏈接整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分,本文中選用的微處理器是型號(hào)為TM320F2812的DSP數(shù)字處理器。整個(gè)觸滑覺控制系統(tǒng)的安裝位置如圖2所示,其中控制箱內(nèi)包換微處理器和驅(qū)動(dòng)電路等模塊。
圖2 觸滑覺感知控制系統(tǒng)安裝位置
整個(gè)助老伴行機(jī)器人觸滑覺感知控制系統(tǒng)要求對(duì)所采集的觸滑覺信號(hào)進(jìn)行正確識(shí)別,對(duì)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止這5種驅(qū)動(dòng)模式至少有95%以上的識(shí)別正確率。另外,助老伴行機(jī)器人應(yīng)當(dāng)按照模式識(shí)別識(shí)別結(jié)果進(jìn)行正確的移動(dòng)。
助老伴行機(jī)器人性能參數(shù)見表1。
表1 助老伴行機(jī)器人性能參數(shù)
助老伴行機(jī)器人與使用對(duì)象之間的信息交互方式為觸滑覺感知交互與,是利用觸滑覺感知系統(tǒng)完成的。觸滑覺感知系統(tǒng)主要由觸滑覺傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊和微處理器組成。布置在助老伴行機(jī)器人把手處的觸滑覺傳感器采集到使用對(duì)象的觸滑覺信號(hào)后,通過信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。然后利用A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)輸入到處理器中進(jìn)行處理分析。觸滑覺感知系統(tǒng)的總體如圖3所示。
圖3 觸滑覺感知系統(tǒng)的總體框圖
本文中所使用的觸滑覺傳感器選用由新型壓電材料PVDF為敏感單元制作的PVDF壓電薄膜傳感器。PVDF即聚偏二氟乙烯,是一種有機(jī)高分子材料,具有柔韌性好、質(zhì)地輕、靈敏度高、頻帶寬、壓電系數(shù)高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),用PVDF制作的傳感器非常適合用于對(duì)觸滑覺信號(hào)的感知。本文根據(jù)PVDF傳感器的特性原理制作了相應(yīng)的信號(hào)調(diào)理電路。另外在設(shè)置觸滑覺傳感器通道數(shù)目時(shí),根據(jù)人的抓握行為特點(diǎn),設(shè)置8路觸滑覺傳感器,在助老伴行機(jī)器人的左右兩個(gè)把手各設(shè)置4路。
2.2.1 觸滑覺信號(hào)的特征提取
關(guān)于信號(hào)的特征提取,有很多可以選擇的特征參數(shù),例如均值、絕對(duì)值積分平均值、均方根、方差等可做為特征量。PVDF傳感器在受到觸覺應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)如圖4所示,為此最終選用觸滑覺信號(hào)的算術(shù)平均值作為適用對(duì)象與PVDF傳感器接觸的特征值,算術(shù)平均值作為一種比較常用的時(shí)域特征,對(duì)于信號(hào)的表征更加直接。
圖4 PVDF觸滑覺信號(hào)
具體提取方式是:對(duì)于采集到的觸滑覺信號(hào)x(n)按照時(shí)間順序連續(xù)選取N個(gè)信號(hào)值進(jìn)行算術(shù)平均值計(jì)算,得到其特征值。這樣一來N的取值就比較重要,N值取得過大,那么靈敏度就低;取值太小,誤差率就會(huì)加大。所以N的取值需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行確定。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn),N的取值最終設(shè)置為200。也就是當(dāng)使用對(duì)象和PVDF傳感器發(fā)生接觸產(chǎn)生接觸信號(hào)后的200 ms的信號(hào)算術(shù)平均值作為特征值。算術(shù)平均值是用以描述隨機(jī)過程不變的分量,表示在時(shí)間長(zhǎng)度T內(nèi)的隨機(jī)信息所有值的算術(shù)平均值。具體公式為:
(1)
其中:μ代表觸滑覺信號(hào)的特征值。
關(guān)于如何判定觸滑覺驅(qū)動(dòng)意圖信號(hào)的產(chǎn)生,本文中采用閾值法來判定,也就是當(dāng)觸滑覺特征值大于某個(gè)閾值M時(shí),認(rèn)為有觸滑覺信號(hào)產(chǎn)生,關(guān)于這個(gè)閾值M的設(shè)定,如果設(shè)置的太大,就會(huì)丟失一部分信號(hào)產(chǎn)生誤差;如果設(shè)置的太小,也會(huì)由于太過靈敏產(chǎn)生一些誤操作。因此需要該閾值的產(chǎn)生同樣需要經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來選擇。
2.2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別方法
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種采用誤差反向傳播算法的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其主要優(yōu)點(diǎn)有:分布式的信息存儲(chǔ)方式、大規(guī)模并行處理、自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)良好、魯棒性和容錯(cuò)性好。
BP神經(jīng)網(wǎng)路通常由輸入層、隱含層和輸出層組成,輸入層節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)通常取輸入向量的維數(shù),輸出層節(jié)點(diǎn)則取輸出向量的位數(shù),隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)目前尚無確定的標(biāo)準(zhǔn),通常通過反復(fù)試湊來獲得。根據(jù)Kolmogorov定理,具有一個(gè)隱層的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠以任意精度逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)。所以本文選擇一個(gè)三層BP神經(jīng)網(wǎng)路來對(duì)獲取的觸滑覺信號(hào)特征進(jìn)行模式識(shí)別,以提取助老伴行機(jī)器人使用者的行走意圖,實(shí)現(xiàn)對(duì)助老伴行機(jī)器人的觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制。
通過觸滑覺感知系統(tǒng)采集到的8路觸滑覺信號(hào),計(jì)算其算術(shù)平均值作為表征觸覺的特征量,構(gòu)建一個(gè)具有8個(gè)元素的特征向量,那么所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)為8個(gè),通過神經(jīng)網(wǎng)路所識(shí)別的類共有5類:前進(jìn),后退,停止,左轉(zhuǎn),右轉(zhuǎn)。常用的做法是對(duì)于n類問題,設(shè)計(jì)n個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),使每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一類。在訓(xùn)練階段,對(duì)于屬于第i類的樣本,設(shè)定第i個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)為1,其余節(jié)點(diǎn)為0。然而,分類多類問題還可以有其他的編碼方式。比如,可以把每個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)看作一個(gè)0,1二值變量,用m個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)來編碼c類,如3個(gè)節(jié)點(diǎn)即可編碼8類:000,001,010,011,100,110,101,111。這種編碼可以更節(jié)省輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)目,所以這里用三個(gè)輸出為0或1的節(jié)點(diǎn)來表示這5類:前進(jìn)(1,0,0),后退(0,1,0),停止(0,0,1),右轉(zhuǎn)(1,1,0),左轉(zhuǎn)(0,1,1)。網(wǎng)絡(luò)輸出值代表的模式類別如表2所示,所以所設(shè)置神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有:8路輸入,3個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)。
表2 模式識(shí)別分類表
隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)通常使用試湊法來確定隱層的節(jié)點(diǎn)數(shù),或者根據(jù)以下公式來選擇最佳隱層節(jié)點(diǎn)數(shù):
(2)
m為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù),n為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù),a為[1,10]之間的常數(shù)。在這里n=8,m=3,取a=4,那么h取整為7。即隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)為7。
激活函數(shù)采用Sigmoid函數(shù),在這里選擇雙曲正切Sigmoid函數(shù):
(3)
接下來是確定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù),BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練函數(shù)有多種,各有缺點(diǎn),但是沒有一種函數(shù)能夠適應(yīng)所有情況下的訓(xùn)練過程。其中最基本的BP訓(xùn)練法就是梯度下降BP訓(xùn)練函數(shù)。本文為此就選擇梯度下降BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練函數(shù),且設(shè)計(jì)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程如圖5所示。
圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練流程圖
助老伴行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括DSP數(shù)字信號(hào)處理器、驅(qū)動(dòng)器和輪轂電機(jī)組成,整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理框圖如圖6所示。
圖6 助老伴行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)原理框圖
助老伴行機(jī)器人采用的是雙輪差速驅(qū)動(dòng)控制,以機(jī)器人包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,驅(qū)動(dòng)輪選用的是直流無刷輪轂電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器的作用是接收DSP下達(dá)的控制指令并按照控制指令對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部主要包括功率驅(qū)動(dòng)模塊、位置檢測(cè)模塊和保護(hù)檢測(cè)模塊。
3.1.1 電機(jī)選型
助老伴行機(jī)器人采用的是雙輪差速驅(qū)動(dòng),所以機(jī)器人包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和萬向從動(dòng)輪,本文中助老伴行機(jī)器人選用的驅(qū)動(dòng)輪為直流無刷輪轂電機(jī)。該電機(jī)具有調(diào)速性能好、噪聲低、壽命長(zhǎng)和免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),而且輪轂式電機(jī)的動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置集成到輪轂內(nèi)部,去掉了傳動(dòng)結(jié)構(gòu),可以節(jié)省安裝空間,讓機(jī)械結(jié)構(gòu)變得更加緊湊,直流無刷輪轂電機(jī)如圖7所示。
圖7 直流無刷輪轂電機(jī)
3.1.2 功率驅(qū)動(dòng)模塊
對(duì)于直流無刷輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng),功率驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)霍爾位置檢測(cè)電路檢到的轉(zhuǎn)子位置按照一定序列觸發(fā)功率管進(jìn)行換相,進(jìn)而驅(qū)動(dòng)直流無刷輪轂電機(jī)。功率驅(qū)動(dòng)電路直接影響了直流無刷輪轂電機(jī)的運(yùn)行。本文設(shè)計(jì)的功率驅(qū)動(dòng)電路的核心部件是IR2130驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET功率管。通過以IR2130為核心和MOSFET組成的三項(xiàng)全橋逆變電路。對(duì)其輸出PWM波控制MOSFET功率管。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直流無刷輪轂電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。
3.1.3 位置檢測(cè)模塊
位置檢測(cè)模塊的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置,并將轉(zhuǎn)子的位置信息傳遞給微處理器,微處理器根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置對(duì)直流無刷輪轂電機(jī)進(jìn)行換相操作。所涉及的位置檢測(cè)電路原理如圖8所示。
圖8 位置檢測(cè)電路原理圖
3.1.4 保護(hù)檢測(cè)模塊
控制系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中,一些不穩(wěn)定因素的發(fā)生會(huì)損害整個(gè)電路,為了應(yīng)對(duì)這些不穩(wěn)定因素,保護(hù)功率驅(qū)動(dòng)電路和位置檢測(cè)電路的安全,需要在電路設(shè)計(jì)中加入保護(hù)電路。所設(shè)計(jì)的保護(hù)電路原理如圖9所示。
圖9 保護(hù)電路原理圖
直流無刷電機(jī)控制方案有很多,本文選擇數(shù)字信號(hào)處理器作為主控制器的控制單元。通過研究模糊控制與傳統(tǒng)的PID控制,最終選擇模糊自適應(yīng)PID控制,其綜合了傳統(tǒng)PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn),既有控制算法靈活且適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又具有PID控制無穩(wěn)態(tài)誤差的特點(diǎn)。且動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快。其控制器結(jié)構(gòu)如圖10所示。
圖10 電機(jī)模糊PID控制器原理圖
為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的前述觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能,在助老伴行機(jī)器人的機(jī)械本體上搭建了觸滑覺感知系統(tǒng)和助老伴行機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng),并進(jìn)行了在線實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)步驟:
第一步。首先按照助老伴行機(jī)器人不同的驅(qū)動(dòng)模式下利用觸滑覺感知系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。對(duì)于助老伴行機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停這五種驅(qū)動(dòng)模式,每種模式采集50組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),一共250組,并按照上文所述方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行特征提取并進(jìn)行存儲(chǔ),然后在MATLAB中對(duì)所建立的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,訓(xùn)練結(jié)束后,將MATLAB中訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值導(dǎo)出并存儲(chǔ)。
第二步。利用CSS軟件編寫B(tài)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式識(shí)別程序,程序語言為C語言。網(wǎng)絡(luò)中權(quán)值和閾值為上一步MATLAB中所導(dǎo)出的參數(shù)值,程序編譯完成后將程序上傳至DSP中。
第三步。實(shí)驗(yàn)通過一名操作人員,分別對(duì)機(jī)器人進(jìn)行前進(jìn)、后退、停止、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)這五種模式的操作,每種模式共進(jìn)行10次,并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
最后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。
通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的助老伴行機(jī)器人觸滑覺驅(qū)動(dòng)模式識(shí)別控制系統(tǒng)對(duì)使用對(duì)象的控制意圖的平均識(shí)別正確率達(dá)到95%,并根據(jù)模式識(shí)別結(jié)果控制助老伴行機(jī)器人完成對(duì)應(yīng)的動(dòng)作,符合設(shè)計(jì)方案要求。
表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文對(duì)助老伴行機(jī)器人的觸滑覺驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)整體,以及它的兩大模塊:觸滑覺感知系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分別進(jìn)行了介紹,并進(jìn)行了在線實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明,該助老伴行機(jī)器人觸滑覺感知驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)使用者(老年人)的控制意圖,并對(duì)機(jī)器人執(zhí)行正確的驅(qū)動(dòng)控制。進(jìn)而驗(yàn)證了該助老伴行機(jī)器人觸滑覺感知驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的可行性以及有效性。
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