下肢康复外骨骼机器人感知与交互方法研究

发布时间：2021-07-27 02:24

　　下肢康复外骨骼机器人是一种融合了外骨骼仿生技术和信息控制技术,涉及人体运动学、机器人学、信息科学、智能控制、康复医学等多学科知识的智能化机器人设备。随着我国社会人口老龄化程度的不断加剧,丧失行动能力的老年人也越来越多。此外由于自然灾害、交通事故和疾病等造成的下肢残疾或运动功能障碍患者的数目也十分庞大,因此下肢康复外骨骼机器人设备的研发成为了热门研究方向。本文主要针对下肢康复外骨骼机器人的感知系统与人机交互控制方法进行研究,分析人体下肢运动机理,基于传感数据构建运动状态识别模型,并在工程样机平台上对构建的感知系统和交互方法进行在线验证测试。本文首先对外骨骼机器人的研究背景与国内外的研究现状进行了介绍,通过对人体下肢运动机理的分析结合人体解剖学理论,确定传感器的类型、数量与布局。然后设计传感器信息采集模块电路,通过CAN总线与嵌入式PC主控制器连接起来,构成采集人机物理接触信息的下肢外骨骼机器人的分布式感知系统。通过构建的感知系统平台采集穿戴者的运动状态信息,将传感数据保存后结合人体步态运动分析进行相位划分。结合人体下肢运动的特点,对多传感器信号数据进行融合分析,构建基于有限状态机的模型实... 

【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：75 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１?Ｈａｒｄｉｍａｎ外骨豁机器人系统??Ｆｉｇ?１．１?Ｈａｒｄｉｍａｎ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｓｙｓｔｅｍ??

??助力机器人问世，如图１．２所示。该款外骨骼机器人整体采用了拟人化的机械结构??和液压驱动方式，使穿戴者与外骨骼机器人更紧密贴合的同时行走也更加稳定［５］。??下肢外骨骼上安装了许多传感器，其中包括力传感器，角度传感器，惯性传感器等，??利用这些传感器来实时获取人体运动时的作用力和关节角度等姿态信息，并通过??高速同步环形网络来进行传输。传感信息导入由外骨骼机器人动力学模型构建的??控制系统实现人体运动意图的判断，并计算出所需要的力量分配，进而控制执行单??元输出合适的辅助力量，实现外骨骼机器人运动的随动控制，达到助力和增强体能??的效果［６］。由于该机器人的控制系统严重依赖于精准的动力学模型的构建，而动力??学模型的构建需要进行大量的负重穿戴动力学试验，使得构建控制系统的复杂度??大幅提升

人体的运动意图，实现机器人的随动运动控制［９］。??ａ）?ＨＡＬ－１?ｂ）?ＨＡＬ－３?ｃ）?ＨＡＬ－５（Ｔｙｐｅ－Ｂ）?ｄ）?ＨＡＬ－５（Ｔｙｐｅ－Ｃ）?ｅ）?ＨＡＬ－５ＬＢ（Ｔｙｐｅ－Ｃ）??图１．３筑波大学ＨＡＬ系列??Ｆｉｇ?１．３?Ｔｈｅ?ＨＡＬ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ?ｓｅｒｉｅｓ?ｂｙ?Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ?ｏｆ?Ｔｓｕｋｕｂａ??以色列制造商ＲｅＷａｌｋ机械（ＲｅＷａｌｋＲｏｂｏｔｉｃ）设计制造的Ｒｅｗａｌｋ旨在用于??脊髓损伤、多发性硬化症导致的腿部完全或不完全瘫痪，但上半身和手臂能够正??常使用的患者。该机器人可利用陀螺仪与压力传感器测量人体重心的变化来控制??运动，借助高效的传感器模块和电机控制模块来实现接近人体自然步态的行走运??动，并通过使用者佩戴于手部的无线腕表来实现站立、行走以及上下楼梯等运动??模式的切换，该产品已通过了美国食品与药品管理局的认证，如图１．４所示。??豐扁??ＩＩ?＂＂??图１．４?Ｒｅｗａｌｋ外骨骼机器人??Ｆｉｇ?１．４?Ｒｅ?ｗａｌｋ?ｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎ??４??


本文编号：3304873