基于变刚度驱动的智能仿生腿关键技术研究

发布时间：2022-10-21 13:22

　　智能仿生腿又称智能下肢假肢。传统的被动式或半主动式下肢假肢由于穿戴以后肢体不够协调、体力消耗大、患者穿戴体验较差等原因,并不能给截肢患者生活带来较大的改变,而主动式仿生腿通过电机驱动等方式直接为下肢关节提供主动力矩,利用各种传感器感知患者运动意图和路况,从而更好地模仿人体健康腿的运动方式,极大改善了截肢患者的生活质量,对其重新融入社会、减轻社会和家庭负担具有重要现实意义。目前,在主动式仿生腿与患者残肢构成的人机混合系统中,还存在:关节驱动缺少被动柔顺,不能根据负载变化实现刚度调节,仿生性不足的问题;不同任务下的步态识别问题;运动意图识别与步态预测准确度问题;人机混合强耦合系统下的关节运动控制问题。为此,本文在关节弹性驱动技术基础上,设计并开发了一种可变刚度的主动式膝关节及其构成的仿生腿,开发了仿生腿控制平台。基于这一平台,重点研究了表面肌电信息在不同步行任务下的步态相位识别方法,同时,进一步结合物理传感器信息,对多模式的运动意图识别展开研究;并提出了一种基于步态轨迹跟踪的自适应鲁棒控制器,用于仿生腿的力/位置控制。本文的主要研究工作和创新点总结如下:1.设计了一个变刚度驱动器（Vari... 

【文章页数】：136 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
    1.2 国内外智能仿生腿研究概况
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
    1.3 智能仿生腿关键技术研究现状
        1.3.1 关节驱动技术研究
        1.3.2 仿生腿控制技术研究
    1.4 研究存在的问题及挑战
    1.5 本文主要研究内容及论文结构
    1.6 本章小结
第二章 可变刚度的弹性驱动仿生腿设计
    2.1 引言
    2.2 弹性驱动仿生腿机构设计
        2.2.1 膝关节运动机理
        2.2.2 可变刚度弹性驱动器选型
        2.2.3 可变刚度的动力型膝关节结构设计
    2.3 变刚度串联弹性驱动器理论计算与分析
        2.3.1 变刚度串联弹性驱动器理论计算
        2.3.2 变刚度串联弹性驱动器特性分析
    2.4 弹性驱动仿生腿虚拟样机建模与特性分析
        2.4.1 弹性驱动仿生腿的运动特性与力学特性分析
        2.4.3 弹性驱动仿生腿的能耗特性分析
    2.5 仿生腿步态感知与控制平台设计
        2.5.1 原型机与实验平台设计
        2.5.2 系统硬件架构
        2.5.3 系统软件架构
    2.6 本章小结
第三章 基于表面肌电信号的步态相位识别
    3.1 引言
    3.2 下肢步态特征与表面肌电信号采集
        3.2.1 下肢步态特征与肌群分析
        3.2.2 表面肌电信号采集
    3.3 表面肌电信号的预处理
        3.3.1 预处理方法
        3.3.2 去噪结果分析
    3.4 表面肌电信号的特征提取与特征选择
        3.4.1 时域特征与频域特征
        3.4.2 特征评估与特征选择
    3.5 基于STACKING算法的步态相位识别
        3.5.1 集成学习方法概述
        3.5.2 Stacking算法建模
        3.5.3 实验与分析
    3.6 本章小结
第四章 基于多源信息融合的运动意图识别
    4.1 引言
    4.2 多源运动学信息采集
        4.2.1 足底压力信息采集
        4.2.2 速度/加速度信息采集
        4.2.3 信息采集实验
    4.3 传感器信号的预处理
        4.3.1 物理传感器信号去噪
        4.3.2 归一化
        4.3.3 滑动窗设计
    4.4 特征提取与特征融合
        4.4.1 多特征融合的特征提取
        4.4.2 特征降维融合
    4.5 步态运动意图识别策略
        4.5.1 稳定步态识别
        4.5.2 过渡状态识别
        4.5.3 决策融合方法
    4.6 本章小结
第五章 基于步态轨迹跟踪的仿生腿自适应控制
    5.1 引言
    5.2 仿生腿动力学建模
        5.2.1 人机混合动力学模型
        5.2.2 VSA膝关节动力学模型
    5.3 基于TDE的自适应轨迹跟踪控制
        5.3.1 自适应控制器设计
        5.3.2 单腿摆动仿真与分析
        5.3.3 人机混合模型仿真与结果分析
        5.3.4 Echo控制实验设计与结果分析
    5.4 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 工作小结
    6.2 工作展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的研究成果
致谢
附件


【参考文献】：
期刊论文
[1]Intent Pattern Recognition of Lower-limb Motion Based on Mechanical Sensors[J]. Zuojun Liu,Wei Lin,Yanli Geng,Peng Yang.  IEEE/CAA Journal of Automatica Sinica. 2017(04)
[2]采用核主成分分析和相关向量机的人体运动意图识别[J]. 刘磊,杨鹏,刘作军,宋寅卯.  机器人. 2017(05)
[3]基于SEA的机器人仿肌弹性驱动关节研究[J]. 何福本,梁延德,孙捷夫,郭超.  中国机械工程. 2014(07)
[4]智能下肢假肢关键技术研究进展[J]. 杨鹏,刘作军,耿艳利,赵丽娜.  河北工业大学学报. 2013(01)
[5]动力型假肢膝关节设计与仿真研究[J]. 耿艳利,杨鹏,许晓云,陈玲玲.  河北工业大学学报. 2011(05)
[6]假肢膝关节电控液压阻尼缸设计[J]. 喻洪流,沈凌,胡加华,钱省三.  中国组织工程研究与临床康复. 2009(39)
[7]异构双腿行走机器人机构优化设计[J]. 谢华龙,许之伟,史家顺,徐心和.  东北大学学报(自然科学版). 2008(10)
[8]假肢智能膝关节研究进展[J]. 王人成,沈强,金德闻.  中国康复医学杂志. 2007(12)
[9]表面肌电信号的小波消噪改进算法[J]. 罗志增,张清菊,蒋静坪.  浙江大学学报(工学版). 2007(02)
[10]CIP-Ⅰ智能仿生人工腿步速测量系统研究与设计[J]. 谭冠政,何胜军,曾庆冬,闰炳雷,蔡光超.  计算机测量与控制. 2005(11)

博士论文
[1]基于多源信息的步态识别算法研究[D]. 刘磊.河北工业大学 2015



本文编号：3695729