面向人机交互任务的控制系统研究与设计

发布时间：2020-11-21 11:27

　　 在众多人机接口信号中,研究者对电阻抗断层扫描(Electrical Impedance Tomography,EIT)生物信号的研究相对较少,它在病理研究,病变检测方便已经被广泛应用,但在对人体关节动力学估计方面,目前研究中还没有将其作为人机接口与作为机器人的控制参数使用,从最近数年的发展情况来看,其具有一定的研究价值,因此本文将使用EIT信号特征对人体关节动力学进行估计,最后作为人机接口信号设计一套面向人机交互任务的机械臂控制系统。本文使用基于生物信号特征的EIT信号对人手臂连续抓握力进行实时估计,作为机械臂的控制参数使用。以UR5机械臂为实验平台,设计了抓握力实时估计实验,位置/阻抗混合控制人机交互实验,人机协作锯切实验验证了EIT信号作为人机交互接口的可行性及控制算法的有效性。最终完成了一套面向人机交互任务的机械臂控制系统,系统包含EIT传感前端、EIT信号采集设备、EIT图像重构上位机、机械臂实时控制上位机、机械臂本体、六维力/力矩传感器等。抓握力实时估计实验共选择了5名被试,拟合平均决定系数值为0.83±0.04,平均RRMSE为0.31±0.10;位置/阻抗混合控制实验选择了3名被试,每名被试5个实验试次,研究了位置误差峰值与误差恢复到峰值的10%之间的持续时间。在被试抓取力较大时,所有试次的平均持续时间为798.24 ms,,在被试抓取力较大时,所有试次的平均持续时间为2144.89 ms。使用EIT生物信号对实时抓取力估计的RRMSE为0.211;人机协作锯切实验选择了3名被试,每名被试3个试次,研究了被试锯切周期,向下锯切力的大小以及对推拉状态的识别率。所有试次的平均最快锯切周期为放松状态1.220S,收紧状态1.400S;向下锯切力放松状态12.692N,收紧状态15.504N;向下锯切速度放松状态0.407 cm/min,收紧状态0.803 cm/min;本文结论证明了:(1)基于EIT生物信号作为人机接口对人体关节动力学估计的可行性。(2)EIT新型人机接口用于机械臂实时控制的可行性及其性能。(3)机械臂控制系统的完整性及其性能。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP241
【部分图文】：

2系统概述12EIT系统中，通常由传感硬件和图像重建算法组成，通过从人体表面进行特定的刺激和测量，可以检测出人体内的电学性质。由上一章可知，电阻抗断层成像技术在人机接口研究方面虽然还处于起步期，但却有很好的研究意义与应用场景。本文EIT系统设计框架如图2-4所示。系统由系统硬件（蓝色区域）和控制算法（橙色区域）组成，系统硬件包括佩戴在前臂上的传感器袖套，多路选择器模块，电压控制电流源模块，振荡器电路，前置放大电路，模数转换器（ADC）和微控制器（MCU）。本文以右前臂为例，有16个电极（红色方块）嵌在袖套的内表面，本文用四极法来模拟和测量阻抗的分布。其中一对电极作为注入交流电流的刺激电极（红线），另一对电极上的电压被记录下来。图2-4中。本文以一对测量电极（蓝线）为例进行分析。系统最终的输出是EIT图像。图2-4EIT系统框图2.3.1.1传感前端传感前端被集成在了一个软弹性布料内，在布料内16个铜电极片均匀的分布在内侧，每个柔性印制电路板（FPCB）电极片通过同轴屏蔽线连接到活动接插件里，最终效果如图2-5所示。图2-5传感前端

传感前端

牡缂??为刺激电极，一路40KHz[44]的交流电流信号注入（如图2-4所示的红线部分），其它的与注入电极不相邻的电极对作为测量电极（总共13对电极，如图2-4蓝色线部分所示）。测量一次完成后，切换一次发射通道，共16次电流的注入。那么测量一帧，数据就有13×16共208组数据，每次切换通道之后，有时长为150us的延时，等待信号稳定。2.3.1.2振荡电路如上所述，在测量过程中，将一个电极对注入交流电流。振荡电路的设计目的是在交流信号转换成电流源之前产生交流信号。40KHz的正弦信号由AD9833的芯片生成。振荡电路模块如图2-6所示。本文使用AD620芯片设计了一款一阶带通滤波器，在直流分量输入VCCS电路之前将其滤除。图2-6振荡电路模块2.3.1.3VCCS电路在EIT硬件系统中,由于接触阻抗的原因,绝大多数研究者都选用压控恒流源（Voltage-ControlledCurrentSource，VCCS）,因为生物体会产生接触阻抗，使用恒流源可以尽量避免其造成的影响[47]。VCCS的输出阻抗、信噪比大小以及稳定性好坏都对整个EIT系统起着决定性作用，因此激励源选用至关重要，。在进行图像重建时，如果能够保证被试者阻抗值稳定，得到的图像分别率以及图像质量也会得到提升。因此为了保证所测得阻抗值的稳定性和准确性，需要保证电压控制的电流源输出信号幅值和频率的稳定性。在一定程度上来说，电流源的设计直接影响了后期的信号采集质量和图像重建的准确度。因此，在进行实验时，需要选择稳定可靠的电流源，这样可以从根本上控制采集误差的产生，从而获得更加准确、可靠的阻抗信息。因此恒流电流源设计在EIT系统中占有很大的比重。为了保证测量时人体的安全性，激励电流的幅值一般小于5mA[48]。至
【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 黄华芳;杨涛;陈晓艳;杨永政;;基于同步测量的电阻抗层析成像系统研究[J];传感技术学报;2015年10期

2 李杰,韦庆,常文森,张彭;基于阻抗控制的自适应力跟踪方法[J];机器人;1999年01期

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1 杨帆;基于sEMG的机械臂仿人变阻抗控制研究[D];哈尔滨工业大学;2019年

2 彭涛;基于sEMG的人机协作机械臂变阻抗示教技术研究[D];哈尔滨工业大学;2018年

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本文编号：2892933