外骨骼作為一種可穿戴的智能化裝備,在越來(lái)越多的場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)了成功應(yīng)用,而愈加廣泛的使用場(chǎng)景也催生了更加靈活的柔性外骨骼的產(chǎn)生。柔性外骨骼主體由柔性織物材料制成,非常靈活輕便,易于使用和部署,同時(shí)它也能為使用者提供非�？捎^的助力,幫助使用者節(jié)省體力、降低運(yùn)動(dòng)新陳代謝率。但由于其柔性較高,不同于剛性外骨骼,傳統(tǒng)方法難以建模,更難以簡(jiǎn)單地檢測(cè)到外骨骼姿態(tài)。同時(shí)柔性外骨骼還存在常見(jiàn)的隨機(jī)綁縛問(wèn)題、運(yùn)動(dòng)沖擊問(wèn)題和使用場(chǎng)景變化等實(shí)際使用問(wèn)題。因此需要有一套更適配更完善的檢測(cè)和計(jì)算方法,才能獲得良好的柔性外骨骼姿態(tài)估計(jì)。本課題核心工作是研究柔性外骨骼的整套姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng),包括硬件配置和解算方法,以實(shí)現(xiàn)高精度且使用便捷的姿態(tài)解算功能。姿態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)基于“SIAT Soft Exosuit-III”平臺(tái)研發(fā),使用了基于加速度計(jì)、足底壓力傳感器、陀螺儀、機(jī)器學(xué)習(xí)等的多模態(tài)解算技術(shù)。解決了姿態(tài)檢測(cè)普遍存在的標(biāo)定復(fù)雜耗時(shí)、綁縛誤差難以消除、加速度計(jì)難以應(yīng)對(duì)頻繁沖擊、陀螺儀有長(zhǎng)時(shí)間累積誤差等痛點(diǎn)問(wèn)題。最終通過(guò)多模信息融合將這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了互補(bǔ),結(jié)合柔性外骨骼的使用場(chǎng)景進(jìn)行一系列的針對(duì)性設(shè)計(jì)優(yōu)化,提出了一套完整的柔... 

【文章來(lái)源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院)廣東省

【文章頁(yè)數(shù)】：82 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

剛性外骨骼（左）與柔性外骨骼（右）

引言3外骨骼機(jī)器人漸漸開(kāi)始轉(zhuǎn)向輕量化發(fā)展。圖1.2美國(guó)軍方外骨骼HULCFigure1.2HULCexoskeletonforAmericanmilitaryuse近幾年來(lái)，柔性外骨骼在國(guó)外一些實(shí)驗(yàn)室嶄露頭角[5][6]。大量關(guān)于柔性可穿戴機(jī)器人的研究正逐漸展開(kāi)[7]。柔性外骨骼與傳統(tǒng)外骨骼最大的區(qū)別就是柔性外骨骼主體采用柔性材料制成，沒(méi)有剛性的連接機(jī)構(gòu)，重量上大大減輕，可穿戴性、靈活性都得到了非常大的提高[8]。傳統(tǒng)剛性外骨骼一般都采用剛性連接，作為可穿戴式設(shè)備，非常龐大以及沉重，實(shí)際使用體驗(yàn)以及使用效果非常不好。柔性外骨骼的開(kāi)發(fā)目標(biāo)主要在于節(jié)省穿戴者體力，而部分剛性外骨骼可以做到完全支撐無(wú)行動(dòng)能力的癱瘓病人站立起來(lái)。目前柔性外骨骼暫不具備這種驅(qū)動(dòng)能力，但是對(duì)于行動(dòng)能力健全的穿戴者來(lái)說(shuō)，柔性外骨骼的驅(qū)動(dòng)能力是足夠的，并且穿戴柔性外骨骼后一般使用者耗氧水平都會(huì)出現(xiàn)明顯下降。因此目前柔性外骨骼仍然主要面向健康人，通過(guò)在合適的太太相位給予發(fā)力關(guān)節(jié)一定的助力，幫助其減少執(zhí)行特定任務(wù)時(shí)的體能消耗，降低新陳代謝率。國(guó)外研究中，以哈佛大學(xué)的柔性外骨骼最為著名[9][10][11][12]。哈佛大學(xué)柔性下肢外骨骼以髖、膝、踝三個(gè)關(guān)節(jié)助力為主，已迭代了多個(gè)版本，其大體結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)卷線器，需要助力時(shí)卷線器轉(zhuǎn)動(dòng)拉緊鮑登線，鮑登線隨之收緊腿部綁縛并提拉踝關(guān)節(jié)后部。合理設(shè)計(jì)綁縛和踝關(guān)節(jié)助力鞋套就可以做到為下肢三個(gè)關(guān)節(jié)提供助力，另外由于行走時(shí)固然存在的前后相位差，使用高效率的控制方式可以使得它能夠同時(shí)為髖前、髖后兩個(gè)方向提供助力。

基于多模態(tài)融合的柔性外骨骼姿態(tài)檢測(cè)研究4圖1.3哈佛大學(xué)柔性外骨骼Figure1.3SoftexosuitdevelopedbyHarvardUniversity哈佛大學(xué)另一套柔性外骨骼專門用于踝關(guān)節(jié)助力，可以為中風(fēng)患者提供下肢踝關(guān)節(jié)的助力，幫助中風(fēng)患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，恢復(fù)正常步態(tài)[13]。該柔性外骨骼也是通過(guò)收緊小腿與踝后的鮑登線來(lái)達(dá)到為踝關(guān)節(jié)助力的效果[14]。其對(duì)助力結(jié)果的反饋使用了固定在鞋外側(cè)的一個(gè)IMU來(lái)判斷當(dāng)前踝關(guān)節(jié)所處的狀態(tài)[15]，如圖1.4所示。圖1.4柔性踝關(guān)節(jié)助力外骨骼Figure1.4Softexoskeletonforankleassistance哈佛大學(xué)還單獨(dú)研究了髖關(guān)節(jié)助力的柔性外骨骼[16][17]，如圖1.5所示，該外骨骼也采用了鮑登線牽引大腿綁縛的思路，對(duì)踝關(guān)節(jié)進(jìn)行助力。這套系統(tǒng)的控制也是基于單一IMU信號(hào)，該IMU被固定在大腿的前側(cè)，用于檢測(cè)大腿的運(yùn)動(dòng)加速度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]淺析卡爾曼濾波理論的發(fā)展歷史過(guò)程[J]. 吳春穎,王娟.  福建電腦. 2017(01)
[2]基于多傳感器信息融合的人體姿態(tài)解算算法[J]. 李景輝,楊立才.  山東大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版). 2013(05)
[3]粒子濾波算法綜述[J]. 胡士強(qiáng),敬忠良.  控制與決策. 2005(04)

碩士論文
[1]基于慣性傳感器的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)三維重構(gòu)[D]. 蹇彪.哈爾濱工程大學(xué) 2013



本文編號(hào)：3399051