气动助力外骨骼机器人人机协同运动控制研究

摘要

外骨骼作为一种可穿戴的智能机械装备，能够感受到穿戴者的状态与运动意图，将机械装置产生的动力与穿戴者自身的意识结合起来，同人体形成一个闭环的人机一体化系统，使穿戴者能够在自身的意识控制下通过装备轻松地完成很多原本艰难的活动或任务，实现人机实时协同运动和力量辅助。人机协同运动控制算法是实现外骨骼功能的关键技术之一。尽管机器人控制技术已相当成熟，但是对于开发外骨骼机器人的研究人员来说，他们依旧受困于一项重大挑战，那就是如何准确获取人的运动意图并实现人机协同运动控制。本文的研究重点即为以气动助力外骨骼机器人为研究对象，开展人机协同运动控制研究。主要工作内容包括以下几个方面:
　　第一，根据外骨骼助力系统需求和对人体四肢运动特点的分析，确定了外骨骼人机交互接口设计方案并搭建了基于PC机和FPGA板卡的外骨骼控制系统。
　　第二，采用表面肌电信号和关节角位移信号来获取人体上肢运动信息，建立基于骨骼肌肉模型的关节力矩估计模型以估计人体关节期望力矩，并提出基于力控制的外骨骼上肢人机协同运动控制方案，实现了外骨骼上肢在关节连续屈伸运动上同人体的协同运动和对人体的力量辅助。
　　第三，将人体在关节运动上的意图划分为两种:运动和静止，并研究基于支持向量机的上肢关节姿态保持控制方法，通过实验验证了所提方法能够弥补仅仅采用关节力矩估计来判断运动意图时穿戴者不能很好地维持手臂关节悬停静止的缺陷。
　　第四，采用关节角位移信号和足底压力信号来获取人体下肢运动信息，采用有限状态机思想建立了步态相位检测算法，并提出了基于步态相位检测的外骨骼下肢人机协同运动控制方案。步行实验验证了该方案的有效性，实现了外骨骼同人体在步行运动上的协同。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 外骨骼助力机器人发展现状

1．2．2 表面肌电信号在外骨骼装置中的应用

1．2．3 步态检测方法概述

1．3 课题研究的主要难点与内容安排

2 外骨骼控制系统设计

2．1 外骨骼机械结构

2．2 外骨骼人机交互接口设计

2．2．1 上肢人机交互接口设计

2．2．2 下肢人机交互接口设计

2．3 表面肌电信号调理电路设计

2．3．1 干扰源分析

2．3．2 信号调理电路设计

2．4 外骨骼控制系统设计

2．5 本章小结

3 基于关节力矩估计的上肢人机协同运动控制研究

3．1 外骨骼上肢关节控制方案

3．2 基于骨骼肌肉模型的关节力矩估计

3．2．1 sEMG到肌肉激活程度模型

3．2．2 骨骼肌肉几何学模型

3．2．3 Hill-Type肌肉模型

3．2．4 基于协同肌肉群的肌肉输出力估计

3．3 模型参数标定与验证

3．4 基于关节力矩估计的上肢人机协同运动控制实验

3．5 本章小结

4 基于支持向量机的上肢关节姿态保持控制研究

4．1 调整后的外骨骼上肢关节控制方案

4．2 基于支持向量机的关节运动意图识别算法

4．2．1 信号输入选择

4．2．2 特征提取

4．2．3 特征降维

4．2．4 支持向量机

4．2．5 大多数投票器

4．3 模型训练

4．3．1 任务描述

4．3．2 性能评估方法

4．3．3 训练结果

4．4 实验验证

4．5 本章小结

5 基于步态检测的下肢人机协同运动控制研究

5．1 步态相位划分

5．2 步态数据采集与标定

5．3 步态数据分析

5．4 基于有限状态机的步态检测方法

5．4．1 分层有限状态机

5．4．2 正在行走过程中的步态相位检测

5．4．3 开始行走过程的步态相位检测

5．5 下肢人机协同运动控制方案

5．6 实验验证

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献