基于多模态融合的柔性外骨骼姿态检测研究
发布时间：2021-09-17 16:00
外骨骼作为一种可穿戴的智能化装备,在越来越多的场景下实现了成功应用,而愈加广泛的使用场景也催生了更加灵活的柔性外骨骼的产生。柔性外骨骼主体由柔性织物材料制成,非常灵活轻便,易于使用和部署,同时它也能为使用者提供非常可观的助力,帮助使用者节省体力、降低运动新陈代谢率。但由于其柔性较高,不同于刚性外骨骼,传统方法难以建模,更难以简单地检测到外骨骼姿态。同时柔性外骨骼还存在常见的随机绑缚问题、运动冲击问题和使用场景变化等实际使用问题。因此需要有一套更适配更完善的检测和计算方法,才能获得良好的柔性外骨骼姿态估计。本课题核心工作是研究柔性外骨骼的整套姿态检测系统,包括硬件配置和解算方法,以实现高精度且使用便捷的姿态解算功能。姿态检测系统基于“SIAT Soft Exosuit-III”平台研发,使用了基于加速度计、足底压力传感器、陀螺仪、机器学习等的多模态解算技术。解决了姿态检测普遍存在的标定复杂耗时、绑缚误差难以消除、加速度计难以应对频繁冲击、陀螺仪有长时间累积误差等痛点问题。最终通过多模信息融合将这些技术的优势进行了互补,结合柔性外骨骼的使用场景进行一系列的针对性设计优化,提出了一套完整的柔...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性外骨骼（左）与柔性外骨骼（右）
引言3外骨骼机器人渐渐开始转向轻量化发展。图1.2美国军方外骨骼HULCFigure1.2HULCexoskeletonforAmericanmilitaryuse近几年来，柔性外骨骼在国外一些实验室崭露头角[5][6]。大量关于柔性可穿戴机器人的研究正逐渐展开[7]。柔性外骨骼与传统外骨骼最大的区别就是柔性外骨骼主体采用柔性材料制成，没有刚性的连接机构，重量上大大减轻，可穿戴性、灵活性都得到了非常大的提高[8]。传统刚性外骨骼一般都采用刚性连接，作为可穿戴式设备，非常庞大以及沉重，实际使用体验以及使用效果非常不好。柔性外骨骼的开发目标主要在于节省穿戴者体力，而部分刚性外骨骼可以做到完全支撑无行动能力的瘫痪病人站立起来。目前柔性外骨骼暂不具备这种驱动能力，但是对于行动能力健全的穿戴者来说，柔性外骨骼的驱动能力是足够的，并且穿戴柔性外骨骼后一般使用者耗氧水平都会出现明显下降。因此目前柔性外骨骼仍然主要面向健康人，通过在合适的太太相位给予发力关节一定的助力，帮助其减少执行特定任务时的体能消耗，降低新陈代谢率。国外研究中，以哈佛大学的柔性外骨骼最为著名[9][10][11][12]。哈佛大学柔性下肢外骨骼以髋、膝、踝三个关节助力为主，已迭代了多个版本，其大体结构如图1.3所示。通过电机驱动卷线器，需要助力时卷线器转动拉紧鲍登线，鲍登线随之收紧腿部绑缚并提拉踝关节后部。合理设计绑缚和踝关节助力鞋套就可以做到为下肢三个关节提供助力，另外由于行走时固然存在的前后相位差，使用高效率的控制方式可以使得它能够同时为髋前、髋后两个方向提供助力。
基于多模态融合的柔性外骨骼姿态检测研究4图1.3哈佛大学柔性外骨骼Figure1.3SoftexosuitdevelopedbyHarvardUniversity哈佛大学另一套柔性外骨骼专门用于踝关节助力，可以为中风患者提供下肢踝关节的助力，帮助中风患者进行康复训练，恢复正常步态[13]。该柔性外骨骼也是通过收紧小腿与踝后的鲍登线来达到为踝关节助力的效果[14]。其对助力结果的反馈使用了固定在鞋外侧的一个IMU来判断当前踝关节所处的状态[15]，如图1.4所示。图1.4柔性踝关节助力外骨骼Figure1.4Softexoskeletonforankleassistance哈佛大学还单独研究了髋关节助力的柔性外骨骼[16][17]，如图1.5所示，该外骨骼也采用了鲍登线牵引大腿绑缚的思路，对踝关节进行助力。这套系统的控制也是基于单一IMU信号，该IMU被固定在大腿的前侧，用于检测大腿的运动加速度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析卡尔曼滤波理论的发展历史过程[J]. 吴春颖,王娟. 福建电脑. 2017(01)
[2]基于多传感器信息融合的人体姿态解算算法[J]. 李景辉,杨立才. 山东大学学报(工学版). 2013(05)
[3]粒子滤波算法综述[J]. 胡士强,敬忠良. 控制与决策. 2005(04)
硕士论文
[1]基于惯性传感器的人体运动姿态三维重构[D]. 蹇彪.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3399051
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)广东省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
刚性外骨骼（左）与柔性外骨骼（右）
引言3外骨骼机器人渐渐开始转向轻量化发展。图1.2美国军方外骨骼HULCFigure1.2HULCexoskeletonforAmericanmilitaryuse近几年来，柔性外骨骼在国外一些实验室崭露头角[5][6]。大量关于柔性可穿戴机器人的研究正逐渐展开[7]。柔性外骨骼与传统外骨骼最大的区别就是柔性外骨骼主体采用柔性材料制成，没有刚性的连接机构，重量上大大减轻，可穿戴性、灵活性都得到了非常大的提高[8]。传统刚性外骨骼一般都采用刚性连接，作为可穿戴式设备，非常庞大以及沉重，实际使用体验以及使用效果非常不好。柔性外骨骼的开发目标主要在于节省穿戴者体力，而部分刚性外骨骼可以做到完全支撑无行动能力的瘫痪病人站立起来。目前柔性外骨骼暂不具备这种驱动能力，但是对于行动能力健全的穿戴者来说，柔性外骨骼的驱动能力是足够的，并且穿戴柔性外骨骼后一般使用者耗氧水平都会出现明显下降。因此目前柔性外骨骼仍然主要面向健康人，通过在合适的太太相位给予发力关节一定的助力，帮助其减少执行特定任务时的体能消耗，降低新陈代谢率。国外研究中，以哈佛大学的柔性外骨骼最为著名[9][10][11][12]。哈佛大学柔性下肢外骨骼以髋、膝、踝三个关节助力为主，已迭代了多个版本，其大体结构如图1.3所示。通过电机驱动卷线器，需要助力时卷线器转动拉紧鲍登线，鲍登线随之收紧腿部绑缚并提拉踝关节后部。合理设计绑缚和踝关节助力鞋套就可以做到为下肢三个关节提供助力，另外由于行走时固然存在的前后相位差，使用高效率的控制方式可以使得它能够同时为髋前、髋后两个方向提供助力。
基于多模态融合的柔性外骨骼姿态检测研究4图1.3哈佛大学柔性外骨骼Figure1.3SoftexosuitdevelopedbyHarvardUniversity哈佛大学另一套柔性外骨骼专门用于踝关节助力，可以为中风患者提供下肢踝关节的助力，帮助中风患者进行康复训练，恢复正常步态[13]。该柔性外骨骼也是通过收紧小腿与踝后的鲍登线来达到为踝关节助力的效果[14]。其对助力结果的反馈使用了固定在鞋外侧的一个IMU来判断当前踝关节所处的状态[15]，如图1.4所示。图1.4柔性踝关节助力外骨骼Figure1.4Softexoskeletonforankleassistance哈佛大学还单独研究了髋关节助力的柔性外骨骼[16][17]，如图1.5所示，该外骨骼也采用了鲍登线牵引大腿绑缚的思路，对踝关节进行助力。这套系统的控制也是基于单一IMU信号，该IMU被固定在大腿的前侧，用于检测大腿的运动加速度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]浅析卡尔曼滤波理论的发展历史过程[J]. 吴春颖,王娟. 福建电脑. 2017(01)
[2]基于多传感器信息融合的人体姿态解算算法[J]. 李景辉,杨立才. 山东大学学报(工学版). 2013(05)
[3]粒子滤波算法综述[J]. 胡士强,敬忠良. 控制与决策. 2005(04)
硕士论文
[1]基于惯性传感器的人体运动姿态三维重构[D]. 蹇彪.哈尔滨工程大学 2013
本文编号：3399051
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