人體下肢運(yùn)動綜合信息處理與控制應(yīng)用.pdf

1、可穿戴型助力機(jī)器人技術(shù)是近年來比較嶄新的一個研究領(lǐng)域，涉及機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)、模式識別等。可穿戴型助力機(jī)器人屬于外骨骼機(jī)器人的一種，其目的是為了增強(qiáng)人體的運(yùn)動能力、擴(kuò)大人體的運(yùn)動范圍。它能充分結(jié)合人類的智力和機(jī)器人的“體力”進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)，充分貫穿“以人為核心”的人機(jī)一體化技術(shù)，強(qiáng)調(diào)人的智能參與到機(jī)器人的助力控制中。 在可穿戴型助力機(jī)器人的技術(shù)研究中，機(jī)器人能否及時、準(zhǔn)確地感知使用者的運(yùn)動意圖

2、，是解決機(jī)器人實(shí)時助力的重要前提，同時也關(guān)系到整個系統(tǒng)的實(shí)時性、協(xié)調(diào)性。而人體運(yùn)動意圖獲取的研究本身是人機(jī)接觸交互中的重要前沿。對于可穿戴型助力機(jī)器人來說，獲取何種類型的人體運(yùn)動信息、如何對其進(jìn)行定性或定量的分析，準(zhǔn)確、快速的識別使用者的運(yùn)動意圖是系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供助力的前提和基礎(chǔ)，同時系統(tǒng)還需根據(jù)使用者不同的運(yùn)動及意圖迅速做出相應(yīng)的響應(yīng)。在國家自然科學(xué)基金“可穿戴型智能助力機(jī)器人技術(shù)研究”(No.60575054)和國家863項(xiàng)目“可穿

3、戴型助老助殘機(jī)器人示范平臺”(No.2006AA040204)資助下，本項(xiàng)研究通過深入分析人體下肢運(yùn)動的特點(diǎn)，選擇常見的人體起立過程為主要研究對象，以下肢特定肌肉群的表面肌電信號(sEMG)為研究手段，探討一種基于下肢動力學(xué)信息的具有較強(qiáng)實(shí)時性和穩(wěn)定性的人體下肢運(yùn)動意圖識別方法，旨在為提高可穿戴型助力機(jī)器人系統(tǒng)的簡捷性、實(shí)用性提供有效的途徑，同時使得人體運(yùn)動信息的獲取變得簡單、直觀和穩(wěn)定。 具體內(nèi)容概括如下： 通過分析人

4、體下肢運(yùn)動的特點(diǎn)及其肌肉骨骼系統(tǒng)的組成和功能，比較目前人體運(yùn)動信息檢測的一般方法，建立了人體下肢運(yùn)動綜合信息獲取平臺，能實(shí)時獲取和記錄下肢特定肌肉群的表面肌電信息和相應(yīng)的地面反作用力(FRF)。由于該平臺為基于CAN總線的分布式結(jié)構(gòu)，因此具有良好的開放性和可擴(kuò)展性。 借助現(xiàn)代信號分析和處理方法，采用小波包理論(WPT)對人體下肢起立過程中采集的肌電信號進(jìn)行去噪，并對去噪后的表面肌電信號進(jìn)行短時窗內(nèi)的特征提取，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成理論

5、(NNE)識別起立過程的各個主要階段，從而實(shí)現(xiàn)起立過程各階段運(yùn)動意圖的識別。 對應(yīng)于基于表面肌電信息的起立過程各階段識別結(jié)果，研究相應(yīng)的地面反力變化特征，結(jié)合表面肌電信息超前于力的特性和地面反力的直觀性、穩(wěn)定性，通過合理的的分析和實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，確定了基于地面反力變化特征的人體起立過程各階段的識別方法，一定程度上解決了目前依靠經(jīng)驗(yàn)知識確定地面反力閾值識別人體運(yùn)動意圖準(zhǔn)確性不高和適應(yīng)性差的問題。將基于地面反力變化特征的起立過程各階段