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一種通過表面肌電信號控制的柔性機械肢體設計

添加時間:2021/06/23 來源:未知 作者:樂楓
本文設計了 一種通過表面肌電信號控制的柔性機械肢體,并通過運動學分析、聯合仿真、拓撲優化 等工作,對該設計進行了驗證:
以下為本篇論文正文:

摘 要

  由于人口老齡化問題日益嚴重,老年人行走不便、易疲勞等問題的出現使得助行設 備被越來越多的老年人使用。由于大部分助行設備需老年人手動控制且多為剛性,導致 地面對肢體產生沖擊造成二次傷害,結合 60~80 歲老年人的實際運動需求,本文設計了 一種通過表面肌電信號控制的柔性機械肢體,并通過運動學分析、聯合仿真、拓撲優化 等工作,對該設計進行了驗證:

  首先根據老年人的運動形式和人體結構對柔性機械肢體和柔性關節的機械結構進 行設計,并根據所設計的機械結構對驅動方式進行選擇。為保證機械肢體與老年人步態 相配合,達到平衡助力的效果。根據所設計的機械結構,通過多體動力學軟件 ADAMS 進行運動仿真和結果分析,獲得機械肢體的關節轉角、末端支撐的運動軌跡,并基于 ADAMS 對柔性關節進行抗沖擊性能分析,進而對柔性關節的抗沖擊性進行驗證。

  通過采集老年人下肢特征肌肉群的表面肌電信號,并將其進行預處理和特征值提取, 利用短時傅里葉變換思想獲取特征值的變化趨勢,進而推斷出老年人的運動意圖,將得 到的運動意圖作為柔性機械肢體控制系統的觸發信號。利用 MATLAB 搭建控制系統, 并與 ADAMS 進行聯合仿真,采用 PD 控制器,實現聯合仿真,驗證了柔性機械肢體在 輸入給定信號的情況下的有較好的軌跡跟蹤能力。

  基于 ANSYS Workbench 平臺對機械肢體零件進行拓撲優化設計,使其達到輕量化 設計要求,并對優化后的零件進行強度校核及位移分析,進而對優化結構的合理性進行 驗證。本文的研究工作對柔性機械肢體的可靠性和有效性提供了科學依據,為今后的樣機 制作提供了理論基礎,具有重要的理論參考及工程應用價值。

  關鍵詞:柔性機械肢體;ADAMS 仿真;控制系統;強度校核

Abstract

  Due to the increasingly serious problem of population aging, the emergence of problems such as the inconvenience of walking and fatigue of the elderly have made mobility aids used by elderly people. Since most of the walking aids need to be manually controlled by the elderly and are mostly rigid, resulting in the impact of the ground on the limbs and causing secondary injuries, combined with the actual sports needs of the 60~80 elderly, this paper designs a flexible machine controlled by surface EMG signals. Body, and through kinematic analysis, co-simulation, topology optimization and other work, the design was verified:

  First, the mechanical structure of the flexible mechanical limbs and flexible joints is designed according to the motion form of the elderly and the human body structure, and the driving mode is selected according to the designed mechanical structure. In order to ensure that the mechanical limbs cooperate with the gait of the elderly to achieve the effect of balance boosting. According to the designed mechanical structure, the multi-body dynamics software ADAMS is used to perform motion simulation and result analysis to obtain the motion trajectory of the joint corners and end supports of the mechanical limbs. Based on ADAMS, the impact resistance performance of the flexible joint is analyzed, and then the flexible joint The impact resistance is verified.

  By collecting the surface EMG signal of the characteristic muscle groups of the lower limbs of the elderly, and preprocessing and extracting the characteristic value, the short-time Fourier transform idea is used to obtain the change trend of the characteristic value, and then infer the movement intention of the elderly. The obtained motion intention is used as the trigger signal of the flexible mechanical limb control system. Using MATLAB to build the control system, and conduct joint simulation with ADAMS, and use PD controller to realize the joint simulation, which verifies that the flexible mechanical limb has a better trajectory tracking ability under the condition of inputting a given signal.

  Based on the ANSYS Workbench platform, the topological optimization design of mechanical limb parts is carried out to meet the requirements of lightweight design, and the strength check and displacement analysis of the optimized parts are carried out to verify the rationality of the optimized structure. The research work in this article provides a scientific basis for the reliability and effectiveness of flexible mechanical limbs, and provides a theoretical basis for prototype production, which has important theoretical references and engineering application values.

  Key Words:Flexible mechanical limbs;Adams simulation;Control system;Strength check

機械

目 錄

  第一章 緒論

  1.1 課題研究目的和意義

  根據來自《中國人口老齡化發展現狀、成因與對策研究》的相關資料可知,近年來, 隨著社會經濟的不斷發展,我國醫療水平以及飲食健康的水平的逐步提高,人口的平均 壽命不斷增加[1].但在生育率降低的條件之下,人口老齡化的問題逐漸突顯出來,而且 在未來,我國人口老齡化的問題將日益嚴重。尤其 60 到 80 歲的老年人身體機能老化顯 著,在運動過程中易出現意外。因此,為防止意外事故對老年人造成的危害,隨著老年 人助行器的研究不斷深入,傳統康復治療方法的不足通過機械肢體的方式進行了彌補。 近年來,市場上的老年人輔助行走裝備種類不斷豐富。如圖 1.1 所示,傳統的裝備有輪 椅、手杖、輪椅、助行車和外骨骼機器人等。

  因此本課題針對 60 歲到 80 歲老年人設計了運動輔助裝置柔性機械肢體,該裝置能 輔助老年人保持平衡,并且其中串聯彈性驅動器可以起到緩沖和減振作用,保證老年人 的安全增加機械肢體的柔順性。柔性機械肢體通過表面肌電信號對人體行為做出識別, 使人與機械肢體之間達到交互的目的,它完全解放了使用者的雙手,使用戶活動更加靈 活、更加自由。 剛性機械肢體對老年人雖然能起到輔助行走的作用,但是由于老年人的身體機能衰 退可能會對人體產生沖擊造成傷害。而柔性機械肢體的材料采用柔軟、富有彈性、慣性 較低的元件,并在關鍵位置加入彈性緩沖裝置,不僅能起到輔助老年人運動的作用,而 且可以起到緩沖保護作用[2].除此之外,在與人體連接的部分通過采用輕質、耐用的紡

  織品方式,對柔性機械肢體的繃帶進行布置,以此減少設備產生的剛性運動對人體造成 的傷害。柔性機械肢體與人體下肢的運動特征有較好的匹配,從而可以實現對關節在運 功中功能特性的模擬[3].

  1.2 機械肢體的研究現狀

  1.2.1 國外研究現狀

  機械肢體用處廣泛,一般用于協助老年人、行動不便者以及需要進行康復治療傷員 的關節運動。除此之外,機械肢體也具有力量強化及降低工作疲勞等作用。許多學者從 機械肢體的結構入手對機械肢體結構的設計進行了分析和研究。 Y.Lee 等設計了一種新型的老人可穿戴步行輔助裝置,該裝置具有全新設計的柔性 支撐框架以及擬人化的關節設計[4].其示意圖如圖 1.2 所示。

  Y. Imamura 等利用目標運動與相應的肌肉力之間的關系來設計彈性帶的布置和特 性,設計了名為 Smart Suit Lite 的無源動力輔助支持器,該裝置能使受試者感到明顯的 運動強化[5],如圖 1.3 所示。

  Chen 等通過運動學/動力學耦合模型的方式,設計了一個坐臥式外骨骼機器人來進 行下肢康復。在該模型的基礎上,Chen 根據動力學參數識別方法,提出了一種人體下 肢主動關節扭矩的估計方法,以實現人體運動意圖的預測。并通過扭轉傳感實驗的方式 對該模型及估算方法進行了測試[6]. Sado 設計了一種可穿戴式下身外骨骼以增強進行下肢運動時所需要的力量。外骨骼 采用仿生學設計,每條腿具有六個自由度,其中有源自由度由雙向無刷直流電動機驅動, 骨骼控制器采用低級線性二次高斯扭矩控制器實現對與運動的檢測和力量的控制。通過 實驗測試得出該外骨骼可使特定肌肉激活最小化可以達到 36%以上[7]. Lovrenovic 和 Doumit 針對步行輔助外骨骼提出了一種被動式外骨骼的開發方法, 這種外骨骼通過無動力的座椅機構使用者的骨盆上產生向上的力,從而增強站立和行走 過程中的活動能力[8].并且通過實驗評估了該種開發方法開發出的步行輔助外骨骼的性 能。Kawale 和 Sreekumar 基于運動學和動力學分析的結果,對設計變量進行優化后,提 出了一種可穿戴式下身外骨骼機構的概念設計,該機構可減輕使用人員下半身的身體疲 勞同時提高使用人員的負荷能力[9]. 對于柔性機械肢體而言,其輔助運動的控制策略對柔性機械肢體的驅動作用是否符 合人體正常運動規律起關鍵作用。如何建立人類下肢運動模型,以及選擇何種控制策略 是優化柔性機械肢體的重要部分。

  Sherwani 等為了在減少干擾影響的同時實現對運動跟蹤的準確性,開發了一種自適 應 RISE(信號誤差的魯棒積分)控制器,并在一種智能交流和對意圖敏感的外骨骼膝蓋外骨骼上進行實驗測試[10].實驗證明,與傳統控制器相比,該種控制器的跟蹤誤差更 低。Kazemi 和 Ozgoli 將成本函數用于增加運動軌跡的平滑度,通過優化反饋控制器使 成本函數最小化的方式跟蹤邊界條件,并使用逆運動學轉換生成適當的關節角度,實現 了對人類步行模式的建模[11]. 為了使機械肢體輔助運動的過程與人體運動過程更好的匹配,同時為了防止機械肢 體在輔助運動過程中對人體造成剛性沖擊。輔助運動的機械肢體一般都進行驅使軀體運 動過程更加平穩的柔性處理。串聯彈性驅動器(SEA)是一種具有低輸出阻抗的力輸出 驅動裝置,其廣泛應用于機械肢體柔性處理的過程當中,是實現機械肢體柔性處理的核 心部分,其工作原理圖如圖 1.4 所示。

  Hong 等通過運動學分析的研究方式,立足于仿生學角度,從青蛙的跳躍過程中獲 得思路,采用了無閂鎖機構的串聯彈性驅動器替代了小型跳躍機器人原有的彈射驅動機 構[12].與原有彈射機構相比,串聯彈性驅動器與彈性聯結裝置結合后,能發揮出更大彈 性儲能優勢。 Sun 等針對串聯彈性驅動器在機械肢體人機交互過程中所產生的來自外界感染及載 荷反饋參數變化負面影響,提出了一種實用的限時輸出反饋控制器(FT-OFC)以及限 時擴展狀態觀察器(FT-ESO)來生成串聯彈性驅動器所需的扭矩[13].隨后基于 Lyapunov 分析,證明了反饋及觀察裝置的可靠性及準確性。 Yano 等對應用于 Biped 機器人的串聯彈性驅動器進行了分析,認為當前的串聯彈 性驅動器在強度、驅動力輸入控制以及長時間工作耐久等方面仍然存在問題,于是通過 數值仿真的方式測試了優化關節軌跡彈簧剛度以及采用一種輸入-輸出線性化的軌跡跟 蹤控制法兩種方法的可行性[14].

  Zhao 和 Sentis 出于串聯彈性執行器在有關設計最佳的阻抗控制器、表征具有時間延 遲和濾波的 SEA 的阻抗性能等方面的考慮,提出了一種 SEA 級聯控制體系結構設計臨界阻尼增益設計方法來解決最優控制器設計問題[15].該方法由外阻抗和內轉矩反饋回路 組成,并經過仿真和實驗方法得到了測試。 Li 等將串聯彈性執行器應用于肌肉張力訓練設備,并確定了一套肌肉訓練過程中基 于傳感器所獲取的電反饋信號和預設的肌肉鍛煉模式來推導增益調度函數的剛度自適 應增益算法[16]. Marconi 等采用實驗測試的方法,分析了應用于 Hande Xos-Beta 手指康復新型食指 拇指外骨骼的串聯彈性執行器的包括頻率響應、末端執行器力和輸出阻抗及轉矩控制系 統性能等方面的工作狀態[17]. Stuhlenmiller 等以能量消耗最小化程度作為串聯彈性驅動器優化的衡量準則,研究 了步態變化對膝關節串聯彈性驅動器能量消耗和約束的影響[18].結果表明步態節奏越慢, 串聯彈性驅動器能量消耗越大;且與串聯彈性致動器相比,可離合的串聯彈性致動器受 約束的影響較小。

  1.2.2 國內研究現狀

  浙江大學研發的外骨骼將使用者的行為與外骨骼機器的行為能力進行了結合,將使 用者的腳底的壓力傳感器作為輸入信號,并基于此思想結合模糊神經網絡控制理論[19]. 設計出了一種以氣動系統為驅動裝置的新型的可穿戴式下肢步行外骨骼機構,如圖 1.5 所示。

  哈爾濱工業大學設計了一種助力型外骨骼機器人,分析了人體的身體結構及運動特 點。該機器人將髖關節、膝關節矢狀面內的伸屈設計為主動自由度[20].通過傳感器對下 肢運動過程中髖關節角度、力矩檢測及姿態位置進行檢測,同時基于 Kalman 濾波器對 多傳感器信息進行融合,濾除干擾信號,以滿足控制算法的要求。不同步行相位采用了 不同的控制策略,實現了閉環控制,并在模糊增益的配合下縮小了機器人在跟進人體運 動過程所產生的誤差。哈爾濱工業大學的李洪武設計了一種輔助穿戴者完成負重行走及 增強穿戴者運動能力的外骨骼機器人,并將研究重點放在了作用于人機信息交互的傳感 器上,從而研發出了一種優化信息交互傳感器[21].哈爾濱工業大學的陳凱旋采用串聯彈 性驅動器對水下機械臂進行了關節部位的柔順化設計。設計過程對比了多種不同類型串 聯彈性驅動器,并最終采用交錯梁式盤狀串聯彈性驅動器作為柔性關節元件[22].PID 單 位負反饋的方式被應用于串聯彈性驅動器設計,從而完成了力源控制模型傳遞函數的推 算。設計出的串聯彈性驅動器通過仿真模擬實現了串聯彈性驅動器優化的驗證。

  北方工業大學的蔣聰等人針對扭轉傳感器提出了一種應用于串聯彈性驅動器的扭 矩傳感器設計方案[23].扭矩傳感器作為驅動力信號及負載反饋信號的接收器,其彈性參 數信號接受處理的方法對串聯彈性驅動器負載反饋延遲及運動反饋精準度有重要影響。 總結扭矩傳感器的設計指標以及關鍵參數的設計方法。

  南開大學的于寧波和鄒武林針對串聯彈性驅動器的剛度控制問題,分析串聯彈性驅 動器在工作過程的有限頻域特性,采用限制有限頻域的方法實現串聯彈性驅動器剛度的 控制,將有限頻域的變化轉化為相應矩陣不等式進而得出待求靜態反饋控制器的控制條 件[24].串聯彈性驅動器(SEA)使整個輔助運動過程更加平穩、準確、可控。從一定程度 上來說,串聯彈性驅動器的設計及研究水平是機械肢體柔性處理的重要方法。為此,國 內眾多學者也對以串聯彈性驅動器為載體的機械肢體柔性處理柔化方法進行了研究及 分析。哈爾濱工業大學以串聯彈性驅動器作為外骨骼機器人關節部位的柔化組件,并設計 了自適應穩定控制器以實現對虛擬肢體的關節跟隨運動[25],其結構如圖 1.6 所示。哈爾 濱工業大學的王勇利針對彈跳機器人設計出了一種直線型的串聯彈性驅動器,改驅動器 以伺服電機為驅動力[26],以柔性彈簧作為柔性處理裝置,其原理圖如圖 1.7 所示。

  華南理工大學出于降低癱瘓患者下肢康復成本的考慮設計了組合剛性骨架和柔性 驅動方式的穿戴式下肢康復外骨骼[27].具體分析了癱瘓患者康復過程中下肢的運動情況, 建立了人體-外骨骼多剛體模型并對模型進行運動仿真分析。 山東科技大學的李金良等設計了一種基于串聯彈性驅動和剛性驅動混合的新型下 肢外骨骼機器人踝關節[28].如圖 1.8 所示,其特點是在驅動裝置及從動裝置之間設立了 柔性連接以實現降低緩沖的作用。最后通過仿真實驗的方式測定了該關節的頻域特性、 不同參數特性下的穩定性以及力跟隨特性。

  江蘇大學的陳樹洋設計了一種大眾化的下肢外骨骼助力機器人,通過 D-H 參數法和 微分變換法,對外骨骼助力機器人進行正、逆運動學理論分析,基于拉格朗日方程對外 骨骼進行逆動力學理論分析,最終通過采用模擬仿真計算的方式對柔性下肢外骨骼助力 機器人進行了剛柔耦合仿真計算[29]. 南京航空航天大學的張子建等為了進一步提高串聯彈性驅動器在關節部位的柔順 特性,設計了一種采用雙圓環間銜接曲梁結構的串聯彈性驅動器模型,并通過仿真模擬 驗證其可行性[30]. 綜合以上對國內外機械肢體的分析,本文采用通過表面肌電信號判定老年人運動意 圖的控制系統,并在髖關節、膝關節處設計串聯彈性驅動器機械結構,不僅能夠起到保 護老年人的作用,而且可以對沖擊力進行緩沖的作用。

  1.3 主要研究內容

  本文主要內容如下:

 。1)結合 60 歲到 80 歲老年人的運動特征,提出柔性機械肢體的設計方案,并通 過 SolidWorks 對柔性機械肢體進行建模設計,并對柔性關節進行設計和彈簧參數設定, 通過柔性機械肢體的機械結構選擇適合的驅動方式。

 。2)對老年人的人體步態進行分析,使機械肢體與使用者配合保持平衡達到輔助 功能。通過 ADAMS 對柔性機械肢體的虛擬樣機進行運動學仿真,并對柔性關節的抗沖 擊性進行 ADAMS 仿真分析,驗證所建機械模型的可靠性。

 。3)對老年人下肢特征肌肉群的肌電信號進行采集和分析,對肌電信號進行預處 理、特征值提取,進而確定老年人行走時的意圖,最后建立 MATLAB 與 ADAMS 聯合 仿真系統進行仿真,實現機械肢體的聯合仿真。

 。4)使用 ANSYS Workbench 軟件進行拓撲優化設計,對關鍵件進行拓撲優化,改 變起始設計的模型形狀使其重量減輕,對優化前后零件的結構位移、應力進行對比,使 機械肢體優化之后的零件在設計要求之內,符合設計的要求。

  第二章 柔性機械肢體的結構設計與分析

  2.1 柔性機械肢體的機械結構設計

  2.1.1 老年人運動形式與下肢結構分析

  2.1.2 柔性機械肢體結構設計要求

  2.1.3 柔性機械肢體的結構設計

  2.2 驅動方式選擇

  本章小結

  第三章 柔性機械肢體 ADAMS 仿真

  第三章 柔性機械肢體 ADAMS 仿真

  3.1 老年人人體步態分析

  3.2 柔性機械肢體 ADAMS 仿真分析

  3.2.1 ADAMS 仿真過程

  3.2.2 ADAMS 仿真結果分析

  3.3 柔性關節 ADAMS 仿真

  本章小結

  第四章 機械肢體控制系統設計及聯合仿真分析

  4.3.1 表面肌電信號的產生原理

  4.3.2 表面肌電信號的特征

  4.4 表面肌電信號采集

  4.4.1 肌群分析

  4.4.2 電極位置的確定

  4.5 對表面肌電信號的處理

  4.5.1 表面肌電信號預處理

  4.5.2 特征參數的提取

  4.6 聯合仿真系統

  4.6.1 控制方案

  4.6.2 ADAMS/MATLAB 聯合仿真控制系統的建立

  4.6.3 聯合仿真結果分析

  本章小結
  第五章 關鍵零件拓撲優化設計及強度分析

  5.1 拓撲優化設計

  5.1.1 拓撲優化設計概述

  5.1.2 拓撲優化設計

  5.2 關鍵零件優化前后位移對比

  5.3 關鍵零件優化前后強度校核對比

  本章小結

結 論

  本文主要針對老年人運動過程中需要運動輔助裝置的需求,基于 60~80 歲老年人的 運動形式和人體結構,設計一種柔性機械肢體裝置。論文主要進行了柔性機械肢體機械 結構設計、ADAMS 仿真、柔性機械肢體的控制系統的設計、ADAMS/MATLAB 聯合仿 真、以及機械肢體的拓撲優化設計和強度分析等工作,得出以下結論:

 。1)通過對老年人運動形式和人體結構特點分析,提出柔性機械肢體的總體方案, 使用 SolidWorks 對柔性機械肢體進行建模,并對柔性關節工作原理進行詳細闡述,對柔 性關節和重要零件進行詳細的結構設計分析。通過柔性機械肢體的結構計算關節電機的 驅動力矩,最后選擇 DS5160 舵機作為驅動電機。

 。2)通過多體動力學軟件 ADAMS 對機械肢體進行運動仿真和結果分析,得出機 械肢體關節轉角、末端支撐的運動軌跡,驗證所建機械結構符合運動要求。并對柔性關 節施加脈沖力信號和瞬時力信號,得出柔性關節的輸出部件的受力曲線和速度曲線,驗 證了柔性關節的抗沖擊性能。

 。3)對柔性機械肢體的控制系統進行設計,首先選取老年人下肢特征肌群進行信 號采集,并且對肌電信號進行預處理,提取其特征值,利用短時傅里葉變換思想得到特 征值的變化趨勢,最終得到了老年人行走的運動意圖。然后使用 MATLAB 搭建控制系 統與 ADAMS 進行聯合仿真,采用 PD 控制器,結合表面肌電信號對運動意圖的識別, 在輸入給定信號的情況下進行仿真分析,得到預期的仿真結果,驗證了控制系統的可行 性。

 。4)使用 ANSYS Workbench 軟件進行拓撲優化分析,完成機械肢體關鍵零件的拓 撲優化。通過改變機械肢體零件的結構,達到了減重 30%的目標。并對優化之后的機械 肢體進行強度校核,拓撲優化后的機械肢體各個零件均符合強度要求,驗證設計的可靠 性。

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致 謝

  時光匆匆而過,回想起兩年前剛進入校園的情景,如今我還歷歷在目,仿佛還在昨 天。從那時起我的研究生生活也正式開始了,我非常榮幸能在導師選擇的時候,拜入王 廣欣老師門下,他的和藹可親與學術水平給我留下了深刻的印象。在這兩年中,我結識 了許多同學、朋友以及老師,他們都給予了我很大的幫助。

  在王廣欣老師的指導與幫助下,我完成了此次論文,兩年研究生生活中,王老師在 學術上的認真、專研、嚴謹負責的態度,給我留下深刻的印象。王老師十分耐心地對我 在學習上進行指導,讓我遇到問題要全面思考,使我受益匪淺。在生活中,老師積極樂 觀向上的態度和他對家庭的負責,是我人生道路中的寶貴財富。在撰寫畢業論文期間, 老師經常給予我建議以及指導,不管何時我向老師討教,老師都會細心的給我進行解答, 在這里我想對老師表示感謝,遇到您是我人生的一大幸事。

  此外,我還要感謝同教研室的同學,師兄師弟們,寢室的室友以及我的朋友們,我 很慶幸身邊有你們的存在,讓我在兩年的研究生生活中并不孤單,我們共同學習,共同 進步,共同成長,是你們在枯燥乏累之時給予我快樂,謝謝你們。

  我還要感謝我的父母,感謝你們 20 多年的辛勤付出以及諄諄教誨,你們的辛苦我 都看在眼里記在心里,沒有你們的支持與鼓勵,我不會有今日的閃光。我如同一只小鳥, 你們任我飛翔,無論在高處或在低處飛翔,你們都會在我的背后做我堅強后盾,讓我有 所依靠。最后感謝各位專家、教授在百忙之中抽出時間對我的論文進行評閱,謝謝你們給予 的建議以及啟迪。

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