人体上肢末端刚度测量、估计与人机交互

作     者：林剑锋 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张琴

授予年度：2018年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人体上肢末端刚度 刚度测量装置 刚度估计方法 导纳控制 人机交互 

摘      要：阻抗控制是提升人机交互柔顺性的关键技术,刚度参数作为阻抗控制中的一个重要参数,对机器人柔顺控制起到决定性的作用。借鉴于人体刚度调节以抵抗环境干扰的机制,研究人体阻抗参数并辨识其中的刚度参数,有助于实现机器人的拟人刚度调节,能够改善交互型机器人的顺应性与拟人性。人体表面肌肉电信号(sEMG)蕴含信息丰富,无创采集,并且信号产生时间早于肢体动作,适合作为人体刚度信息解码信号,并向机器人发送刚度调节指令。本研究采用自主搭建的人体上肢末端刚度测量装置进行刚度测量,通过对上肢肌肉的sEMG解码实现上肢刚度的实时预测,并进行机械臂的导纳控制。所以本文研究主要包含以下几个方面:(1)人体上肢末端刚度测量平台的搭建。本文设计的刚度测量平台根据功能可分为三个模块:测量模块、传动模块与驱动模块。其中,关键机构包括凸轮机构与行星轮机构,利用凸轮机构与行星轮机构之间的转速比实现水平面上的随机振动。(2)基于局部扰动理论的上肢末端刚度测量。结合上肢末端刚度测量平台开展测量实验,记录实验过程中受试者上肢末端的回复力与位移数据,配合两种动力学模型计算刚度值,分析弹簧动力学模型与刚度-阻尼-惯性动力学模型的末端刚度计算精度并绘制刚度椭圆图形化分析刚度特性。(3)基于表面肌电信号的人体上肢刚度估计模型。结合上肢八块肌肉的sEMG与肩、肘关节力矩辨识基于sEMG的关节力矩估计模型参数,计算肌肉共同收缩系数(IMCJ)。分析不同末端回复力与IMCJ对末端刚度的影响规律,建立基于IMCJ的上肢刚度估计模型。(4)基于机器人操作系统(ROS)的导纳控制系统开发。建立了机械臂的运动坐标系实现逆运动学求解,设计了基于机械臂末端力反馈的导纳控制器,选择不同阻抗参数改变导纳控制器性能,探究机械臂的导纳控制效果,验证所提出的刚度估计方法应用于人机交互的可行性。