柔性外骨骼的智能感知及其嵌入式控制研究开题报告.doc

本科生毕业设计（论文）开题报告学 生 姓 名： 周 道 洋导师姓名、职称： 徐小强 副教授 所属学院： 自 动 化 学 院 专业班级： 自动化ZY1102班 设计（论文）题目：柔性外骨骼的智能感知及其嵌入式控制研究2015年 3 月15日一、研究目的及意义随着我国老龄化加剧，由于家政服务劳动力的严重不足，老龄人口的日常出行和家居生活主要通过自理。而老龄人由于骨骼脆化、肌肉退化，无法从事较大负荷和较长时间站立、行走等劳动，带来生活极大不便。为使老龄人能恢复部分生活自理能力，研制一种柔性外骨骼人机智能系统，在外骨骼的辅助动力作用下，通过穿戴式的智能感知系统，获取行为意图信息，从而产生辅助的行为动作驱动力，使得老龄人只需几分之一的体力付出，就能够完成正常的行为动作就显得尤为重要。除了解决老龄人的行动不便，柔性外骨骼在康复助残领域也有其巨大的作用。例如，外骨骼下肢机器人对脑卒中患者的康复训练，脊髓损伤 (Spinal Card Injury, SCI)和截瘫患者的重新行走均能起到巨大的辅助作用。外骨骼下肢机器人系统可以替代康复理疗师对脑卒中患者开展预定的康复治疗训练，而且康复训练患者也能通过外骨骼下肢机器人的工作数据了解自己的康复情况。而对于脊髓损伤和截瘫患者，也可以在下肢外骨骼的辅助下，获得走路，起坐，上下楼梯等小范围的生活自理能力，减轻家人的照顾负担。柔性外骨骼下肢机器人技术的研究涉及到了多项前沿的领域，包括了机器人的机械结构设计与分析、高效驱动、传感信息融合、人机交互、机器学习、能源分配以及运动高效控制算法等技术的研究，柔性外骨骼下肢机器人技术的发展也将推动整个机器人领域的快速发展，因而对柔性外骨骼下肢机器人的研究具有重大意义。二、国内外的研究历史和现状柔性外骨骼起源于美国1966年的哈德曼助力机器人研究。它融合了人的智能和机器的执行力强的优点，采用了人在控制环中的控制方式。 自2000年美国国防高级研究规划局发布了外骨骼研制招标书以来，世界各国相继展开了对外骨骼的研究。其中，具有代表性的有美国加州大学伯克利分校研制的下肢外骨骼BLEEX及其衍生品、日本筑波大学研制的混合辅助腿HAL、人体负重外骨骼XOS等。(1) BLEEX及其衍生品 加州大学伯克利分校机器人和人体工程实验室为美军研发了可以负重行走的外骨骼BLEEX。BLEEX首次采用了SAC(Sensitivity Amplification Contr01)控制方法，实现了外骨骼跟随人体运动和负重行走的功能。2009年3月美国洛克西马丁在BLEEX基础上研制出了一种轻巧，可显著增加单兵负重能力的高度灵活的外骨髂HULC。HULC采用了更为简洁的人体仿生机械设计，使其能跟随人体做奔跑、匍匐、半蹲等复杂动作。通过SAC控制方法保证了外骨骼同使用者运动地高度一致性。(2) 混合辅助腿HAL日本筑波大学山海嘉之教授历时十年研制出了世界上第一台商品化的外骨骼混合辅助腿HAL(Hybrid Assistive Limb)。HAI在控制方法上采用了人体运动时生物肌电反应EMG(Electromyography)和前馈控制相结合的控制方法，可以将外骨骼的运动姿态调整至使人感到舒适的位置。(3)以XOS为代表的具有人工肌肉的外骨骼 Raytheon公司于2008年研制出了军事用全身外骨骼XOS，它也采用了SAC控制方法。XOS不需借助任何传感器对人体运动进行测量，仅靠对外骨骼自身运动参数的测量就能判断人体的运动状态，从而控制外骨骼的运动。XOS采用的也是液压执行器，但在机械结构设计中采用了绳滑车结构，类似于人体肌骨链接的滑车结构，故也称此为人工肌肉。采用滑车结构有助于外骨骼执行器的布置，可以很好地解决外骨骼仿生自由度设计。日本是一个老龄化比较严重的发达国家，因此，十分重视“老龄产业”和老年人生活质量。外骨骼式老年人助走装置的研究也是在日本首先开展的。HAL研究的初衷就是辅助老年人，弥补老年人因年龄导致的肌肉强度下降，帮助老年人行走和搬运重物。国内外骨骼技术研究主要集中于外骨骼仿生机械设计和控制方法的研究，外骨骼研究的应用领域主要集中于负重行走外骨骼和康复型外骨骼。浙江大学流体与传动控制国家重点实验室杨灿军教授及其团队先后对负重行走外骨骼进行了原理样机设计和控制方法研究。其设计的负重行走外骨骼采用了类似BLEEX的液压缸驱动器，仿生机械设计，ZMP(Zero Moment Point)步行控制方法，通过自适应模糊神经网络解决外骨骼与人体之间的协调关系。在此基础上，又进行了康复型下肢外骨骼研究，建立了相应的原理样机，采用被动步态规划和半主动步态训练轨迹自校正控制策略。 哈尔滨工业大学开发了一种可以进行单关节和多关节运动的5自由度外骨骼式偏瘫上肢康复机器人系统。该系统通过表面肌电传感器(EMG)采集偏瘫患者健康一侧的肌电信号作为外骨骼的驱动信号，带动受损侧肢体进行相应的康复训练，实现患者对康复锻炼的自我控制。 南京理工大学对下肢外骨骼关键技术进行了综述和分析，对外骨骼中的步态分析、步态稳定性控制、驱动机构选择、外骨骼与人体运动的协调性、能源与动力等关键技术进行了探讨与研究。上海大学提出了一种基于步态规划的康复用下肢外骨骼矫形器，并对其进行了运动学分析。三、研究（设计）的基本内容和目标为了让老龄人或者残疾人士能够恢复部分基本的生活自理能力，研制一种柔性外骨骼。在外骨骼的辅助动力作用下，通过穿戴式的智能感知系统，获取行为意图信息，从而产生辅助的行为动作驱动力，使得老龄人只需几分之一的体力付出，就能够完成正常的行为动作。为此，如何构建智能感知系统，并在信息获取的基础上，通过嵌入式控制，产生完全符合动作需求的控制指令，就显得十分重要。本论文面向下肢外骨骼系统的需求展开研究。四、拟采用的技术方案及措施柔性外骨骼的智能感知及其嵌入式控制系统包括驱动器、控制器、传感器和机械结构四个大的部分。设计柔性外骨骼的智能感知及其嵌入式控制系统主要是对驱动器、控制器、传感器及其机械结构的选型与设计，并在此基础上将它们作为一个整体，选择控制算法，考虑人在系统中的控制决策地位完成系统的设计。1、驱动目前常用的驱动器有液压驱动、气压驱动、伺服电机驱动及新型驱动器。考虑到患者和老年人行进速度较慢的生理特点，为了提高用户体验，综合考虑决定选择伺服电机驱动的方式来驱动外骨骼。可通过控制算法的优化，改善电机驱动动态平衡特性差，换向慢的缺点。在选择电机时尽量选择惯性小，质量轻的大功率电机，并按照人体关节的特点及对外骨骼的要求选择电机的参数和减速器的类型。 2、控制控制算法是外骨骼系统的核心部分，负责对传感器数据的采集和处理，基于采集到的数据做出数据融合，综合分析，从而决定步态的规划，控制电机的运动，实现对人体的助力功能。整个控制系统采用分层控制的思想，共有两层：1）、行走规划层数据融合，分析预测，生成控制指令。2）、关节控制层采集数据，控制执行电机。常用的外骨骼控制算法有基于动力学模型的控制、 参考步态曲线控制、 生物电控制、 主从跟随控制、力反馈控制。考虑到实现的简单和控制的稳定性，选择基于动力学模型的控制和主从跟随控制相结合的控制方法。基于动力学模型的控制方法动态性能较好，但是较为复杂。而主从跟随控制稳定性好，适用范围广，但是动态性能稍显不足。两者相结合，扬长避短，可以实现较好的控制效果。 控制器应选择高性能、低成本、低功耗、引脚数量充足、具有电量管理功能、通信能力及其运算处理能力较强的控制器。在此部分还要设计界面友好和简单易操的人机交互，便于将人的智力应用于控制决策层。3、传感器柔性外骨骼人机智能系统传的感器系统是用来检测外骨骼的工作状态、人的运动趋势。通过多传感器信息融合技术，获取人体的运动趋势，作为外骨骼的输入信号。它需要满足以下条件。 1）、能够采集人体关节及外骨骼的角度、角速度和角加速度的信息。 2）、能够辨识人体的运动趋势。 要满足这些条件需要用到人体姿态传感器、外骨骼姿态传感器及脚底压力传感器并将它们合理安装布置才能实现上述目标。 此外多个传感器采集回来的数据需要进行融合才能确定当前的姿态和运动趋势，这就要用到多传感器信息融合技术。通过综合前后脚掌的压力信息和人体腿部的姿态信息，判断出人体的运动趋势，从而控制外骨骼的相关动作常用的数据融合方法有：卡尔曼滤波、模糊数学方法、不确定性数学方法。4、机械结构人体外骨骼充分体现了人机结合的思想，在机械结构的设计中需要遵从以下原则： 1）、采用拟人化的设计手段，方便使用者的穿戴使用。 2）、连接结构应该具有可调节的特性，适应不同人的身材。 3）、外骨骼系统应该具有坚固、耐用、轻巧的特点。 4）、外骨骼系统必须安全可靠，无论在正常还是故障状态下均能保证人身安全。 五、进度安排1、查阅相关文献资料，明确研究内容，确定设计题目（1周）；2、了解设计题目的各种要求，分析设计要点、难点（2周）；3、了解下肢外骨骼系统国内外的研究现状，熟悉相关系统设计的原理和特点，完成开题报告（3周）；4、分析下肢外骨骼系统设计的具体要求，完成系统的整体框架设计（45周）；5、完成系统各部分模块的设计（68周）；6、系统调试，并对出现的问题进行分析，使能实现所需功能（910周）；7、撰写毕业设计论文初稿，并交导师审阅（1112周）；8、完成论文的最终定稿，交指导教师和评阅教师评阅,并准备答辩（1314周）；9、进行毕业设计答辩（15周）；六、参考文献1 张佳帆，陈鹰，杨灿军. 柔性外骨骼人机智能系统. 北京：科学出版社，2011.2 张宏亮. 外骨骼式老年人辅助行走装置设计研究. 南京：南京理工大学，2011.3 刘火良，杨森. 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