检索结果-南通市图书馆

作者：唐庆康苏州大学

学位级别：硕士

近几年髋部外骨骼机器人的研究热度不断上涨,已经被研究人员的大量研究成果证明通过智能控制方法控制髋部外骨骼机器人不仅能为外骨骼穿戴者提供最佳的运动辅助力矩,而且能够有效降低穿戴者的运动代谢消耗。但是目前在运动辅助控制的研... 详细信息

近几年髋部外骨骼机器人的研究热度不断上涨,已经被研究人员的大量研究成果证明通过智能控制方法控制髋部外骨骼机器人不仅能为外骨骼穿戴者提供最佳的运动辅助力矩,而且能够有效降低穿戴者的运动代谢消耗。但是目前在运动辅助控制的研究方面因先前的大多控制方法中控制参数固定,导致在外骨骼穿戴实验过程中,不同穿戴者的助力体验和净代谢消耗存在着较大的个性化差异。故本文结合人体运动学、髋部外骨骼机器人技术、下肢运动分析、多传感器信息融合、神经网络、强化学习等技术,采用理论研究与实验验证相结合的研究方法,以“髋部外骨骼机器人控制系统设计、针对三种运动场景的行走环境识别算法研究、旨在实现个性化力矩辅助的基于人在回路思想的步行辅助控制策略研究”为主要思路依次展开相关研究工作,致力于为外骨骼穿戴者最大化地降低辅助运动过程中的净代谢损耗。首先,从人体解剖学、康复学和人体运动学等多个学科引入人体三维运动平面概念,并针对人体下肢运动步态周期进行简要介绍分析;基于已有的髋部外骨骼机器人实验平台,为了让其给外骨骼穿戴者提供智能化的辅助助力,设计了髋部外骨骼机器人控制系统,该控制系统主要由负责控制电机力矩输出的电机控制系统和负责采集人体运动信息的运动采集系统组成;为了更方便调试各个模块功能并更直观的观察实验过程中的各类运动数据,基于C#语言开发了一套上位机软件。其次,经过对三种运动场景下采集到的数据进行分析,绑缚在人体下肢各个关节的IMU信号都具有明显的特点,提出了一套基于卷积神经网络的运动环境识别方法。该方法将惯性测量单元中陀螺仪和加速度计的原始数据作为输入,经过滤波、归一化、取窗等数据预处理后,带入到分类识别模型的训练,得到了性能良好的运动环境识别模型。通过识别不同运动环境切换时的过渡模式,给主控上位机传递参数,快速调整髋部外骨骼的控制参数,在不同场景间流畅地切换运动模式,为穿戴者提供更加稳定的运动助力。在线运动环境识别实验结果表明,该方法的平均识别精度为98.17%,平时识别延迟为步态周期15.27%。最后在髋部外骨骼机器人辅助控制策略的研究,针对控制策略灵活性差和无法针对不同的穿戴者提供个性化最优辅助问题,先将髋部助力力矩曲线参数化,结合运动采集系统可以确定该曲线中的大部分参数,指出个性化助力曲线的关键在于优化两个自由参数,为应对自由参数的优化问题提出了一种基于强化学习的解决方案。步行辅助控制实验中,为更好的验证本文所提出的控制方法的性能,以净代谢消耗为评价指标,设定了三种不同行走速度下三种运动模式的对照组实验。实验结果表明,本文所提出的控制方法能够大大降低运动代谢消耗,实现个性化辅助,优化助力辅助效果。

关键词：髋部外骨骼行走环境识别卷积神经网络步行辅助控制人在回路优化

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平衡助行髋部外骨骼机器人

平衡助行髋部外骨骼机器人

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作者：冯凯祥苏州大学

学位级别：硕士

髋部助老外骨骼机器人是近几年的研究热点,已被研究证明在髋关节处提供助力可以有效的降低老年人等人群行走时的能量消耗和腿部肌肉力输出,但鲜有髋部外骨骼机器人辅助老年人平衡行走的研究。本项目整合外骨骼机器人技术、人体运动学、... 详细信息

髋部助老外骨骼机器人是近几年的研究热点,已被研究证明在髋关节处提供助力可以有效的降低老年人等人群行走时的能量消耗和腿部肌肉力输出,但鲜有髋部外骨骼机器人辅助老年人平衡行走的研究。本项目整合外骨骼机器人技术、人体运动学、双足平衡行走理论、步态分析、多传感器信息融合等技术,采用理论研究、仿真分析、实验验证相结合的研究方法,以“髋部外骨骼机构和传感系统设计、髋部外骨骼辅助平衡行走控制策略研究、具有多模态感知系统的平衡行走扰动系统研究、平衡助行髋部外骨骼实验研究”为主线依次开展研究工作,旨在使髋部外骨骼机器人能够有效的应对人体行走意外失衡难题。针对老年人在水平地面行走过程中失衡的难题,提出了一种柔性关节驱动的四自由度髋部外骨骼机器人辅助穿戴者行走过程中实时调节步宽、步长和步频以保持平衡行走。设计了具有离合功能的串联弹性驱动机构作为驱动关节,通过离合器的通断实现助力模式和零力模式的自由切换,同时串联弹性驱动保证了外骨骼和穿戴者的柔顺交互及良好的力控能力。外骨骼集成了包括力矩传感器、关节角度传感器、惯性测量单元的传感系统和包括控制器、伺服驱动器、继电器的控制系统,搭建了基于visual studio的上位机平台对人机耦合系统进行实时感知和控制。针对髋部外骨骼辅助平衡行走控制问题,首先根据建立的人机耦合运动学模型解算行走时人体的质心位移和速度,并将系统简化为线性倒立摆模型以评估运动状态。其次,基于瞬时捕获点理论建立平衡状态评判模型,通过判定瞬时捕获点与双脚支撑范围的位置关系实现人体平衡状态评估。最后,根据人体平衡策略中的迈步策略,通过人体质心和瞬时捕获点的相对位置计算人体失衡时外部驱动力的大小,实现外骨骼在行走过程中辅助穿戴者调整摆动腿的步长以恢复平衡状态。为了研究外部扰动和人体行走步态的关系,搭建了多传感器融合的步态扰动和感知一体化平台,设计了具有驱动模块、离合模块、张紧模块的四自由度绳驱动扰动平台,实现对穿戴者行走提供扰动的目的。建立了具有惯性动作捕捉仪、力反馈传感器的感知系统,利用简化后的人体五杆模型对其进行运动学分析,在实验人员站立和行走状态下对平台性能和平衡评价模型进行实验验证。通过实验对外骨骼系统的使用性能和平衡辅助效果进行研究,以验证外骨骼在辅助老年人平衡行走方面的有益效果。开展外骨骼模块化柔性驱动关节实验,对关节的输出特性进行分析,验证了外骨骼满足输出带宽和输出力矩的设计需求。开展行走状态下外部扰动实验,初步验证了平衡评价模型的有效性。开展失衡状态下外骨骼辅助实验,分别在行走时对实验人员施加前后向和侧向扰动,验证了外骨骼在恢复人体平衡行走方面的有效性。

关键词：髋部外骨骼串联弹性驱动器扰动平台多传感器融合瞬时捕获点理论

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穿戴式髋部外骨骼机构创成及辅助行走平衡控制研究

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机械设计与制造工程 2023年第2期52卷 14-19页

作者：冯凯祥张庭苏州大学机电工程学院江苏苏州215137

针对老年人在水平地面行走过程中失衡的难题,提出了一种柔性关节驱动的四自由度髋部外骨骼机器人,以辅助老年人在行走过程中实时调节步宽、步长和步频以保持行走平衡。对髋部外骨骼辅助行走平衡控制策略进行研究,根据建立的线性倒立摆... 详细信息

针对老年人在水平地面行走过程中失衡的难题,提出了一种柔性关节驱动的四自由度髋部外骨骼机器人,以辅助老年人在行走过程中实时调节步宽、步长和步频以保持行走平衡。对髋部外骨骼辅助行走平衡控制策略进行研究,根据建立的线性倒立摆模型解算人体行走时的质心位移和速度。基于瞬时捕获点理论设计辅助行走平衡控制策略。通过人体实验验证了所设计的髋部外骨骼和辅助行走平衡控制策略的有效性。

关键词：髋部外骨骼辅助行走平衡控制

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