發(fā)布時間：2020-11-21 11:27

　　 在眾多人機(jī)接口信號中,研究者對電阻抗斷層掃描(Electrical Impedance Tomography,EIT)生物信號的研究相對較少,它在病理研究,病變檢測方便已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,但在對人體關(guān)節(jié)動力學(xué)估計方面,目前研究中還沒有將其作為人機(jī)接口與作為機(jī)器人的控制參數(shù)使用,從最近數(shù)年的發(fā)展情況來看,其具有一定的研究價值,因此本文將使用EIT信號特征對人體關(guān)節(jié)動力學(xué)進(jìn)行估計,最后作為人機(jī)接口信號設(shè)計一套面向人機(jī)交互任務(wù)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)。本文使用基于生物信號特征的EIT信號對人手臂連續(xù)抓握力進(jìn)行實時估計,作為機(jī)械臂的控制參數(shù)使用。以UR5機(jī)械臂為實驗平臺,設(shè)計了抓握力實時估計實驗,位置/阻抗混合控制人機(jī)交互實驗,人機(jī)協(xié)作鋸切實驗驗證了EIT信號作為人機(jī)交互接口的可行性及控制算法的有效性。最終完成了一套面向人機(jī)交互任務(wù)的機(jī)械臂控制系統(tǒng),系統(tǒng)包含EIT傳感前端、EIT信號采集設(shè)備、EIT圖像重構(gòu)上位機(jī)、機(jī)械臂實時控制上位機(jī)、機(jī)械臂本體、六維力/力矩傳感器等。抓握力實時估計實驗共選擇了5名被試,擬合平均決定系數(shù)值為0.83±0.04,平均RRMSE為0.31±0.10;位置/阻抗混合控制實驗選擇了3名被試,每名被試5個實驗試次,研究了位置誤差峰值與誤差恢復(fù)到峰值的10%之間的持續(xù)時間。在被試抓取力較大時,所有試次的平均持續(xù)時間為798.24 ms,,在被試抓取力較大時,所有試次的平均持續(xù)時間為2144.89 ms。使用EIT生物信號對實時抓取力估計的RRMSE為0.211;人機(jī)協(xié)作鋸切實驗選擇了3名被試,每名被試3個試次,研究了被試鋸切周期,向下鋸切力的大小以及對推拉狀態(tài)的識別率。所有試次的平均最快鋸切周期為放松狀態(tài)1.220S,收緊狀態(tài)1.400S;向下鋸切力放松狀態(tài)12.692N,收緊狀態(tài)15.504N;向下鋸切速度放松狀態(tài)0.407 cm/min,收緊狀態(tài)0.803 cm/min;本文結(jié)論證明了:(1)基于EIT生物信號作為人機(jī)接口對人體關(guān)節(jié)動力學(xué)估計的可行性。(2)EIT新型人機(jī)接口用于機(jī)械臂實時控制的可行性及其性能。(3)機(jī)械臂控制系統(tǒng)的完整性及其性能。
【學(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP241
【部分圖文】：

2系統(tǒng)概述12EIT系統(tǒng)中，通常由傳感硬件和圖像重建算法組成，通過從人體表面進(jìn)行特定的刺激和測量，可以檢測出人體內(nèi)的電學(xué)性質(zhì)。由上一章可知，電阻抗斷層成像技術(shù)在人機(jī)接口研究方面雖然還處于起步期，但卻有很好的研究意義與應(yīng)用場景。本文EIT系統(tǒng)設(shè)計框架如圖2-4所示。系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件（藍(lán)色區(qū)域）和控制算法（橙色區(qū)域）組成，系統(tǒng)硬件包括佩戴在前臂上的傳感器袖套，多路選擇器模塊，電壓控制電流源模塊，振蕩器電路，前置放大電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和微控制器（MCU）。本文以右前臂為例，有16個電極（紅色方塊）嵌在袖套的內(nèi)表面，本文用四極法來模擬和測量阻抗的分布。其中一對電極作為注入交流電流的刺激電極（紅線），另一對電極上的電壓被記錄下來。圖2-4中。本文以一對測量電極（藍(lán)線）為例進(jìn)行分析。系統(tǒng)最終的輸出是EIT圖像。圖2-4EIT系統(tǒng)框圖2.3.1.1傳感前端傳感前端被集成在了一個軟彈性布料內(nèi)，在布料內(nèi)16個銅電極片均勻的分布在內(nèi)側(cè)，每個柔性印制電路板（FPCB）電極片通過同軸屏蔽線連接到活動接插件里，最終效果如圖2-5所示。圖2-5傳感前端

傳感前端

牡緙??為刺激電極，一路40KHz[44]的交流電流信號注入（如圖2-4所示的紅線部分），其它的與注入電極不相鄰的電極對作為測量電極（總共13對電極，如圖2-4藍(lán)色線部分所示）。測量一次完成后，切換一次發(fā)射通道，共16次電流的注入。那么測量一幀，數(shù)據(jù)就有13×16共208組數(shù)據(jù)，每次切換通道之后，有時長為150us的延時，等待信號穩(wěn)定。2.3.1.2振蕩電路如上所述，在測量過程中，將一個電極對注入交流電流。振蕩電路的設(shè)計目的是在交流信號轉(zhuǎn)換成電流源之前產(chǎn)生交流信號。40KHz的正弦信號由AD9833的芯片生成。振蕩電路模塊如圖2-6所示。本文使用AD620芯片設(shè)計了一款一階帶通濾波器，在直流分量輸入VCCS電路之前將其濾除。圖2-6振蕩電路模塊2.3.1.3VCCS電路在EIT硬件系統(tǒng)中,由于接觸阻抗的原因,絕大多數(shù)研究者都選用壓控恒流源（Voltage-ControlledCurrentSource，VCCS）,因為生物體會產(chǎn)生接觸阻抗，使用恒流源可以盡量避免其造成的影響[47]。VCCS的輸出阻抗、信噪比大小以及穩(wěn)定性好壞都對整個EIT系統(tǒng)起著決定性作用，因此激勵源選用至關(guān)重要，。在進(jìn)行圖像重建時，如果能夠保證被試者阻抗值穩(wěn)定，得到的圖像分別率以及圖像質(zhì)量也會得到提升。因此為了保證所測得阻抗值的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，需要保證電壓控制的電流源輸出信號幅值和頻率的穩(wěn)定性。在一定程度上來說，電流源的設(shè)計直接影響了后期的信號采集質(zhì)量和圖像重建的準(zhǔn)確度。因此，在進(jìn)行實驗時，需要選擇穩(wěn)定可靠的電流源，這樣可以從根本上控制采集誤差的產(chǎn)生，從而獲得更加準(zhǔn)確、可靠的阻抗信息。因此恒流電流源設(shè)計在EIT系統(tǒng)中占有很大的比重。為了保證測量時人體的安全性，激勵電流的幅值一般小于5mA[48]。至
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 黃華芳;楊濤;陳曉艷;楊永政;;基于同步測量的電阻抗層析成像系統(tǒng)研究[J];傳感技術(shù)學(xué)報;2015年10期

2 李杰,韋慶,常文森,張彭;基于阻抗控制的自適應(yīng)力跟蹤方法[J];機(jī)器人;1999年01期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 楊帆;基于sEMG的機(jī)械臂仿人變阻抗控制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2019年

2 彭濤;基于sEMG的人機(jī)協(xié)作機(jī)械臂變阻抗示教技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2018年

3 魏荊華;電阻抗成像硬件系統(tǒng)的研究[D];天津工業(yè)大學(xué);2017年

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本文編號：2892933