下肢助力外骨骼机器人跟随和助力控制算法研究
发布时间：2022-11-03 19:47
面向负重行走下肢助力外骨骼,针对其存在的三大核心问题（系统模型、负重适应以及平衡安全）:摆动相中基于模型的控制算法对精确动力学模型依赖;支撑相中未考虑变负重适应性以及负重行走中的平衡安全等核心问题,本学位论文从下肢助力外骨骼的跟随性、适应性及平衡性三大核心性能进行研究以提高其助力效率,主要工作及成果归纳如下:针对传统灵敏度放大控制算法对精确动力学模型依赖问题,提出基于交互意图预测的摆动相跟随算法。通过动态运动基元对步态运动进行建模实现对穿戴者交互意图的预测,以此针对不同步态优化灵敏度放大算法与交互意图预测器的作用权重,以降低对精确动力学模型的依赖。仿真实验中降低了88.9%因模型误差造成的交互力,实际穿戴实验中相比传统灵敏度放大算法,通过人机交互力的下降估计节省摆动腿44.6%的能量。针对传统控制算法未考虑变负重适应性问题,提出基于参数化动态运动基元的变负重支撑相助力算法。针对不同负重构建基于参数化动态运动基元的变负重助力模型,利用离线采集的不同负重条件下人体关节力矩曲线,学习基于参数化动态运动基元的助力模型参数与负重之间的自适应关系,实现变负重助力力矩的自适应规划。实验中由采集负重行...
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题来源
1.2 前言
1.3 下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.3.1 刚性下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.3.2 柔性下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.4 下肢助力外骨骼控制策略研究现状
1.4.1 基于穿戴者信息测量驱动的控制策略
1.4.2 基于模型驱动的控制策略
1.4.3 基于力矩规划驱动的控制策略
1.4.4 基于自适应参数驱动的控制策略
1.4.5 下肢助力外骨骼控制策略研究现状总结
1.5 论文研究目标及主要内容
第二章 基于交互意图预测的摆动相跟随算法研究
2.1 引言
2.2 下肢助力外骨骼动力学模型
2.2.1 下肢助力外骨骼模型
2.2.2 下肢助力外骨骼运动学分析
2.2.3 下肢助力外骨骼动力学建模
2.3 基于交互意图预测的跟随算法
2.3.1 交互意图预测器
2.3.2 基于模型的控制器
2.4 基于增强学习的参数自适应实现
2.5 实验及结果分析
2.5.1 基于单自由度下肢外骨骼仿真验证
2.5.2 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
2.6 本章小结
第三章 基于参数化动态运动基元的变负重支撑相助力算法研究
3.1 引言
3.2 不同负重条件下人体下肢关节力矩分析
3.2.1 不同负重条件下人体运动数据采集
3.2.2 基于OpenSim的人体负重关节力矩分析
3.3 基于参数化动态运动基元的变负重助力模型构建
3.3.1 参数化动态运动基元模型
3.3.2 变负重助力模型的建立
3.4 基于高斯回归过程的变负重自适应实现
3.5 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
3.5.1 实验设置
3.5.2 实验结果
3.6 本章小结
第四章 基于重心平衡约束的变负重支撑相助力算法研究
4.1 引言
4.2 基于重心平衡约束的变负重自适应助力算法框架
4.3 基于重心平衡模型的负重行走约束条件
4.3.1 基于倒立摆的平衡模型构建
4.3.2 基于模型预测的平衡力矩约束条件
4.4 基于核化运动基元的变负重助力力矩规划
4.4.1 不同负重条件下关节力矩的核化表达
4.4.2 基于核化运动基元的变负重助力模型构建
4.4.3 基于高斯混合回归的变负重助力力矩规划
4.5 基于重心平衡约束的变负重助力力矩规划
4.6 实验及结果分析
4.6.1 基于重心平衡约束的变负重助力力矩规划实验
4.6.2 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
4.7 本章小结
第五章 HUALEX下肢助力外骨骼系统及仿真野外环境测试
5.1 引言
5.2 HUALEX下肢助力外骨骼概述
5.3 HUALEX下肢助力外骨骼介绍
5.3.1 机械与液压系统
5.3.2 传感与通信系统
5.3.3 异步优化控制系统
5.4 野外测试环境介绍及通过性测试
5.4.1 测试环境总体布局
5.4.2 测试环境设计
5.4.3 测试设备介绍
5.4.4 测试数据采集
5.4.5 测试结果
5.5 本章小结
第六章 结论
6.1 本学位论文研究内容总结
6.2 课题展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Active knee joint exoskeleton for stair ascent augmentation[J]. Zongwei ZHANG,Jizhuang FAN,Hongzhe JIN,Tianjiao ZHENG,Sikai ZHAO,Shun MA,Jie ZHAO,Yanhe ZHU. Science China（Information Sciences）. 2021(03)
[2]下肢携行外骨骼系统建模及控制[J]. 杨秀霞,杨晓冬,王亭,杨智勇. 舰船电子工程. 2016(04)
[3]携行外骨骼自适应虚拟力矩控制研究[J]. 杨秀霞,刘迪,赵国荣. 船电技术. 2015(11)
[4]The relationship between physical human-exoskeleton interaction and dynamic factors:using a learning approach for control applications[J]. TRAN Huu-Toan,CHENG Hong,LIN Xi Chuan,DUONG Mien-Ka,HUANG Rui. Science China（Information Sciences）. 2014(12)
[5]负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真[J]. 方明周,王瑜,朱钧,何立冬,曹恒. 华东理工大学学报(自然科学版). 2014(05)
[6]一种柔性双足压力检测装置与步态分析系统设计研究[J]. 郑成闻,宋全军,佟丽娜,陈炜,葛运建. 传感技术学报. 2010(12)
[7]基于时间序列分析的可穿戴助力机器人传感器信号预测的研究[J]. 孙兆君,余永,葛运建. 传感技术学报. 2009(03)
[8]基于接触力信息的可穿戴型下肢助力机器人传感系统研究[J]. 孙建,余永,葛运建,陈峰,沈煌焕. 中国科学技术大学学报. 2008(12)
[9]能量辅助骨骼服NAEIES的开发[J]. 归丽华,杨智勇,顾文锦,张远山,杨秀霞. 海军航空工程学院学报. 2007(04)
[10]三次样条插值函数的构造与Matlab实现[J]. 许小勇,钟太勇. 兵工自动化. 2006(11)
博士论文
[1]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统研究[D]. 陈春杰.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2017
硕士论文
[1]基于人类工效学的下肢助行外骨骼的设计[D]. 潘有缘.电子科技大学 2016
[2]一种用于步态检测的柔性双足助力机器人感知系统的研究[D]. 陈炜.中国科学技术大学 2010
[3]基于绳—滑轮机构的欠驱动下肢外骨骼研究[D]. 刘洋.哈尔滨工业大学 2018
[4]面向下肢外骨骼机器人系统的动态步态建模与表达[D]. 马文昊.电子科技大学 2019
本文编号：3700516
【文章页数】：122 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
1.1 课题来源
1.2 前言
1.3 下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.3.1 刚性下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.3.2 柔性下肢助力外骨骼国内外研究现状
1.4 下肢助力外骨骼控制策略研究现状
1.4.1 基于穿戴者信息测量驱动的控制策略
1.4.2 基于模型驱动的控制策略
1.4.3 基于力矩规划驱动的控制策略
1.4.4 基于自适应参数驱动的控制策略
1.4.5 下肢助力外骨骼控制策略研究现状总结
1.5 论文研究目标及主要内容
第二章 基于交互意图预测的摆动相跟随算法研究
2.1 引言
2.2 下肢助力外骨骼动力学模型
2.2.1 下肢助力外骨骼模型
2.2.2 下肢助力外骨骼运动学分析
2.2.3 下肢助力外骨骼动力学建模
2.3 基于交互意图预测的跟随算法
2.3.1 交互意图预测器
2.3.2 基于模型的控制器
2.4 基于增强学习的参数自适应实现
2.5 实验及结果分析
2.5.1 基于单自由度下肢外骨骼仿真验证
2.5.2 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
2.6 本章小结
第三章 基于参数化动态运动基元的变负重支撑相助力算法研究
3.1 引言
3.2 不同负重条件下人体下肢关节力矩分析
3.2.1 不同负重条件下人体运动数据采集
3.2.2 基于OpenSim的人体负重关节力矩分析
3.3 基于参数化动态运动基元的变负重助力模型构建
3.3.1 参数化动态运动基元模型
3.3.2 变负重助力模型的建立
3.4 基于高斯回归过程的变负重自适应实现
3.5 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
3.5.1 实验设置
3.5.2 实验结果
3.6 本章小结
第四章 基于重心平衡约束的变负重支撑相助力算法研究
4.1 引言
4.2 基于重心平衡约束的变负重自适应助力算法框架
4.3 基于重心平衡模型的负重行走约束条件
4.3.1 基于倒立摆的平衡模型构建
4.3.2 基于模型预测的平衡力矩约束条件
4.4 基于核化运动基元的变负重助力力矩规划
4.4.1 不同负重条件下关节力矩的核化表达
4.4.2 基于核化运动基元的变负重助力模型构建
4.4.3 基于高斯混合回归的变负重助力力矩规划
4.5 基于重心平衡约束的变负重助力力矩规划
4.6 实验及结果分析
4.6.1 基于重心平衡约束的变负重助力力矩规划实验
4.6.2 基于HUALEX下肢外骨骼实验验证
4.7 本章小结
第五章 HUALEX下肢助力外骨骼系统及仿真野外环境测试
5.1 引言
5.2 HUALEX下肢助力外骨骼概述
5.3 HUALEX下肢助力外骨骼介绍
5.3.1 机械与液压系统
5.3.2 传感与通信系统
5.3.3 异步优化控制系统
5.4 野外测试环境介绍及通过性测试
5.4.1 测试环境总体布局
5.4.2 测试环境设计
5.4.3 测试设备介绍
5.4.4 测试数据采集
5.4.5 测试结果
5.5 本章小结
第六章 结论
6.1 本学位论文研究内容总结
6.2 课题展望
致谢
参考文献
攻读博士学位期间取得的成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]Active knee joint exoskeleton for stair ascent augmentation[J]. Zongwei ZHANG,Jizhuang FAN,Hongzhe JIN,Tianjiao ZHENG,Sikai ZHAO,Shun MA,Jie ZHAO,Yanhe ZHU. Science China（Information Sciences）. 2021(03)
[2]下肢携行外骨骼系统建模及控制[J]. 杨秀霞,杨晓冬,王亭,杨智勇. 舰船电子工程. 2016(04)
[3]携行外骨骼自适应虚拟力矩控制研究[J]. 杨秀霞,刘迪,赵国荣. 船电技术. 2015(11)
[4]The relationship between physical human-exoskeleton interaction and dynamic factors:using a learning approach for control applications[J]. TRAN Huu-Toan,CHENG Hong,LIN Xi Chuan,DUONG Mien-Ka,HUANG Rui. Science China（Information Sciences）. 2014(12)
[5]负重型下肢外骨骼机器人机构研究与仿真[J]. 方明周,王瑜,朱钧,何立冬,曹恒. 华东理工大学学报(自然科学版). 2014(05)
[6]一种柔性双足压力检测装置与步态分析系统设计研究[J]. 郑成闻,宋全军,佟丽娜,陈炜,葛运建. 传感技术学报. 2010(12)
[7]基于时间序列分析的可穿戴助力机器人传感器信号预测的研究[J]. 孙兆君,余永,葛运建. 传感技术学报. 2009(03)
[8]基于接触力信息的可穿戴型下肢助力机器人传感系统研究[J]. 孙建,余永,葛运建,陈峰,沈煌焕. 中国科学技术大学学报. 2008(12)
[9]能量辅助骨骼服NAEIES的开发[J]. 归丽华,杨智勇,顾文锦,张远山,杨秀霞. 海军航空工程学院学报. 2007(04)
[10]三次样条插值函数的构造与Matlab实现[J]. 许小勇,钟太勇. 兵工自动化. 2006(11)
博士论文
[1]下肢助力外骨骼机器人研究[D]. 张超.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于柔性传动的助力全身外骨骼机器人系统研究[D]. 陈春杰.中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院) 2017
硕士论文
[1]基于人类工效学的下肢助行外骨骼的设计[D]. 潘有缘.电子科技大学 2016
[2]一种用于步态检测的柔性双足助力机器人感知系统的研究[D]. 陈炜.中国科学技术大学 2010
[3]基于绳—滑轮机构的欠驱动下肢外骨骼研究[D]. 刘洋.哈尔滨工业大学 2018
[4]面向下肢外骨骼机器人系统的动态步态建模与表达[D]. 马文昊.电子科技大学 2019
本文编号：3700516
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