基于肌肉驱动特征的仿人肘关节运动状态分析
发布时间：2021-01-11 09:58
实现人机协作,使得人机之间的交互活动更加自然柔顺,是目前机器人研究中的重要方向。人体的自然柔顺运动特性为人机协作机器人仿人运动的研究提供了一个完美的参考对象。人体关节运动具有非线性时变特性,如何定性和定量的对于人体关节的运动信息进行分析和估计,是实现机器人仿人运动控制的前提和基础。本文针对肌肉驱动的上肢肘关节的运动状态进行分析研究,通过滤波算法估计肘关节运动状态信息,为机器人跟踪人体关节运动状态奠定基础。本文基于人体神经信号对肌肉力或力矩的分析,建立了以肱二头肌和肱三头肌为主要作用下的人体肘关节运动的神经肌肉骨骼模型,从而实现从神经信号中提取肘关节运动状态信息的目的。由于肌肉驱动下的肘关节的连续运动具有柔顺性,关节的柔顺性取决于肌肉的柔顺特性,为此对人体肘关节处肌肉的柔性特征指标---刚度进行分析研究,实现对肘关节的关节刚度值的量化计算。针对引起肘关节运动过程中的肌肉群,搭建了表面肌电信号和关节角度的采集平台,通过设计信号采集实验方案,实现了对表面肌电信号和肘关节角度的信息采集,为后续估计算法有效性的验证提供参考。针对已经建立的肘关节正向动力学模型,建立了对应的状态空间模型,通过实验测...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
优傲机器人UR系列图
河北工业大学硕士学位论文3图1.2是库卡公司的LBRiiwa机械臂，它具有和人类相同的7个自由度，灵活性更强，机身全部采用铝制材料制作，实现轻量化设计；独特的外形设计，不但美观，同时也增加了安全性。LBRiiwa具有2种型号：LBRiiwa7和LBRiiwa14，具有很高的负载自重比，末端定位精度可达0.1mm。LBR机械臂灵敏度高且具有精密、灵活的特点，机械性能和控制效果优异，是面向工业应用的轻型机器人[9]。LBRiiwa采用7自由度设计，且每个自由度均配置了集成力矩传感器，使得轻型机器人具有触感探测能力，具有很高的灵敏度,可以轻松实现碰撞检测。为了更好的人机协作，LBRiiwa采用友好的流线型设计，可以实现在类似于车辆内部等狭小有限空间内展开工作[10]。（3）ABB公司的Yumi双臂协作机器人Yumi机器人如图1.3所示，每个单臂均具有7个自由度，机械臂采用缓冲防护型设计，轻质钢化镁材料用于机械臂的主要架构设计，并在机械臂的外围包裹漂浮塑料，具有很好的减震防护效果；采用轻量化、小型化设计，缩小占用空间，实现在狭小空间的作业；拥有人体尺寸和人类肢体动作，使得与其协作的人类同事感到安全舒适。Yumi人机协作机器人的运动速度可以达到1.5m/s,具有很高的生产效率，同时采用双臂操作，可以轻松实现类似于人类的复杂装配等任务。Yumi专为消费级电子产业设计，重复定位精度高达0.02mm，具有极高的精度、安全性以及灵活性，使得机器人能够应对从机械手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理[7]，实现了对微小零部件的组装。（4）美国百特国际公司的RethinkRobotics。近年来，RethinkRobotics公司在推出了第一代智能协作机器人Baxter之后又推出了第二代智能协作机器人Sawyer，如图1.4所示。Baxter是双臂协作机器人，和人一样，每条单
基于肌肉驱动特征的仿人肘关节运动状态分析4图1.3双臂协作机器人Yumi图1.4单臂协作机器人Sawyer1.2.2国内研究现状国外的人机协作机器人已成趋势，各大机器人厂商纷纷推出自己的协作机器人，目前国内现在已经研制出了具有搬运、码垛、装配等功能的工业机器人，但是在协作机器人方面还处于初始阶段，不过经过奋力追赶，依旧取得了可喜的成果。（1）新松多关节机器人在2015年11月的上海工博会上，沈阳新松自动化股份有限公司研发的高端7自由度的人机协作机器人是我国首款自主研发的人机协作机器人，如图1.5所示，机械臂末端可以感知接触力的大小，用以保证人机协作下人的安全，配备柔性多关节技术和可动双目视觉系统，可实现快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测，兼具柔顺性、安全性、自主避障等特点，可以实现在低成本下的高负载作业，满足机器人产品在人际协作方面的要求，适用于空间有限，精确度要求较高的柔性生产线[10]。图1.5新松多关节机器人图（2）大族人机协作机器人Elfin在2016年的上海工博会上，大族电机展出了最新产品---Elfin六轴协作机器人，如图1.6所示。机械臂采用模块化结构设计，方便装配和维修，控制简单，成本较低，外观采用流线型设计,为了能够满足生产需求，该款机器人的重复定位精度在0.1mm,，同时轻型设计使得其方便在工作场地移动。作为协作机器人，大族机器人Elfin可配
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于外骨骼机器人控制的人体肌电信号模式识别方法研究[J]. 穆彤. 天水师范学院学报. 2017(05)
[2]智能制造中的工业机器人技术[J]. 刘超. 中国新通信. 2017(14)
[3]协作机器人的研究现状与与技术发展分析[J]. 刘洋,孙恺. 北方工业大学学报. 2017(02)
[4]电针系统肌电信号采集及特征提取研究[J]. 薛方. 中国医疗设备. 2016(08)
[5]人机协作:下一代机器人的必然属性[J]. 张含阳. 机器人产业. 2016(03)
[6]基于表面肌电的运动意图识别方法研究及应用综述[J]. 丁其川,熊安斌,赵新刚,韩建达. 自动化学报. 2016(01)
[7]基于支持向量机的肌电信号小波特征分类解码[J]. 何涛,谷朝臣,胡洁. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[8]利用表面肌电信号的下肢动态关节力矩预测模型[J]. 陈江城,张小栋,李睿,石强勇,王贺. 西安交通大学学报. 2015(12)
[9]工业4.0环境下的人机协作机器人[J]. 铁隆正. 工程机械文摘. 2015(04)
[10]基于肌电信号的上肢多关节连续运动估计[J]. 丁其川,赵新刚,韩建达. 机器人. 2014(04)
博士论文
[1]视频中人体姿态估计、跟踪与行为识别研究[D]. 马淼.山东大学 2017
[2]仿人机器人运动控制和规划的若干问题研究[D]. 孙广彬.东北大学 2015
硕士论文
[1]轻型无线化人机协作机械臂的研究[D]. 罗灿.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于表面肌电信号的人体肘关节运动角度预测[D]. 井本成.上海师范大学 2017
[3]基于视频的运动人体行为捕捉算法研究[D]. 付娜.北京理工大学 2015
[4]基于UKF的未建模过程状态估计及其在腈纶聚合中的应用[D]. 高丽君.华东理工大学 2015
[5]动作表面肌电信号的特征提取方法研究[D]. 时改杰.上海交通大学 2008
本文编号：2970564
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
优傲机器人UR系列图
河北工业大学硕士学位论文3图1.2是库卡公司的LBRiiwa机械臂，它具有和人类相同的7个自由度，灵活性更强，机身全部采用铝制材料制作，实现轻量化设计；独特的外形设计，不但美观，同时也增加了安全性。LBRiiwa具有2种型号：LBRiiwa7和LBRiiwa14，具有很高的负载自重比，末端定位精度可达0.1mm。LBR机械臂灵敏度高且具有精密、灵活的特点，机械性能和控制效果优异，是面向工业应用的轻型机器人[9]。LBRiiwa采用7自由度设计，且每个自由度均配置了集成力矩传感器，使得轻型机器人具有触感探测能力，具有很高的灵敏度,可以轻松实现碰撞检测。为了更好的人机协作，LBRiiwa采用友好的流线型设计，可以实现在类似于车辆内部等狭小有限空间内展开工作[10]。（3）ABB公司的Yumi双臂协作机器人Yumi机器人如图1.3所示，每个单臂均具有7个自由度，机械臂采用缓冲防护型设计，轻质钢化镁材料用于机械臂的主要架构设计，并在机械臂的外围包裹漂浮塑料，具有很好的减震防护效果；采用轻量化、小型化设计，缩小占用空间，实现在狭小空间的作业；拥有人体尺寸和人类肢体动作，使得与其协作的人类同事感到安全舒适。Yumi人机协作机器人的运动速度可以达到1.5m/s,具有很高的生产效率，同时采用双臂操作，可以轻松实现类似于人类的复杂装配等任务。Yumi专为消费级电子产业设计，重复定位精度高达0.02mm，具有极高的精度、安全性以及灵活性，使得机器人能够应对从机械手表的精密部件到手机、平板电脑以及台式电脑零件的处理[7]，实现了对微小零部件的组装。（4）美国百特国际公司的RethinkRobotics。近年来，RethinkRobotics公司在推出了第一代智能协作机器人Baxter之后又推出了第二代智能协作机器人Sawyer，如图1.4所示。Baxter是双臂协作机器人，和人一样，每条单
基于肌肉驱动特征的仿人肘关节运动状态分析4图1.3双臂协作机器人Yumi图1.4单臂协作机器人Sawyer1.2.2国内研究现状国外的人机协作机器人已成趋势，各大机器人厂商纷纷推出自己的协作机器人，目前国内现在已经研制出了具有搬运、码垛、装配等功能的工业机器人，但是在协作机器人方面还处于初始阶段，不过经过奋力追赶，依旧取得了可喜的成果。（1）新松多关节机器人在2015年11月的上海工博会上，沈阳新松自动化股份有限公司研发的高端7自由度的人机协作机器人是我国首款自主研发的人机协作机器人，如图1.5所示，机械臂末端可以感知接触力的大小，用以保证人机协作下人的安全，配备柔性多关节技术和可动双目视觉系统，可实现快速配置、牵引示教、视觉引导、碰撞检测，兼具柔顺性、安全性、自主避障等特点，可以实现在低成本下的高负载作业，满足机器人产品在人际协作方面的要求，适用于空间有限，精确度要求较高的柔性生产线[10]。图1.5新松多关节机器人图（2）大族人机协作机器人Elfin在2016年的上海工博会上，大族电机展出了最新产品---Elfin六轴协作机器人，如图1.6所示。机械臂采用模块化结构设计，方便装配和维修，控制简单，成本较低，外观采用流线型设计,为了能够满足生产需求，该款机器人的重复定位精度在0.1mm,，同时轻型设计使得其方便在工作场地移动。作为协作机器人，大族机器人Elfin可配
【参考文献】：
期刊论文
[1]用于外骨骼机器人控制的人体肌电信号模式识别方法研究[J]. 穆彤. 天水师范学院学报. 2017(05)
[2]智能制造中的工业机器人技术[J]. 刘超. 中国新通信. 2017(14)
[3]协作机器人的研究现状与与技术发展分析[J]. 刘洋,孙恺. 北方工业大学学报. 2017(02)
[4]电针系统肌电信号采集及特征提取研究[J]. 薛方. 中国医疗设备. 2016(08)
[5]人机协作:下一代机器人的必然属性[J]. 张含阳. 机器人产业. 2016(03)
[6]基于表面肌电的运动意图识别方法研究及应用综述[J]. 丁其川,熊安斌,赵新刚,韩建达. 自动化学报. 2016(01)
[7]基于支持向量机的肌电信号小波特征分类解码[J]. 何涛,谷朝臣,胡洁. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(S1)
[8]利用表面肌电信号的下肢动态关节力矩预测模型[J]. 陈江城,张小栋,李睿,石强勇,王贺. 西安交通大学学报. 2015(12)
[9]工业4.0环境下的人机协作机器人[J]. 铁隆正. 工程机械文摘. 2015(04)
[10]基于肌电信号的上肢多关节连续运动估计[J]. 丁其川,赵新刚,韩建达. 机器人. 2014(04)
博士论文
[1]视频中人体姿态估计、跟踪与行为识别研究[D]. 马淼.山东大学 2017
[2]仿人机器人运动控制和规划的若干问题研究[D]. 孙广彬.东北大学 2015
硕士论文
[1]轻型无线化人机协作机械臂的研究[D]. 罗灿.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于表面肌电信号的人体肘关节运动角度预测[D]. 井本成.上海师范大学 2017
[3]基于视频的运动人体行为捕捉算法研究[D]. 付娜.北京理工大学 2015
[4]基于UKF的未建模过程状态估计及其在腈纶聚合中的应用[D]. 高丽君.华东理工大学 2015
[5]动作表面肌电信号的特征提取方法研究[D]. 时改杰.上海交通大学 2008
本文编号：2970564
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