负载横移扰动下人体步态频率变化特性

为了研究人体行走时适应负载横向动态干扰的机制,从而设计可靠的穿戴式机器人辅助策略,提出采用基于双自由度受迫振动模型构建人-负载耦合系统。基于机械振动原理分析人-负载耦合系统特性,给出不同行走频率对人和负载位移的影响,提出人体通过调节行走频率适应负载横移扰动影响的假设;搭建负载横向动态干扰人体行走实验平台,获得实验对象无负重行走以及负载横向扰动下的肌肉协同特征及腿部激励频率,并与仿真结果进行对比分析。实验结果表明:负载横移扰动下人体行走是一个适应性调整并最后进入动态稳定的过程。其中,在负重情况下的人体上肢躯干摆动幅度比无负重情况下摆动增幅大60%,人体通过调整行走频率以及相关肌群肌肉协同策略来减少负载横向动态干扰带来的上肢躯干摆动影响。在负重情况下,不同行走速度的步态频率均趋向于人-负载耦合系统的固有频率,设定常速频率与固有频率相同,慢速下行走到达稳态时腿部激励频率上升4.30%,快速下腿部激励频率下降2.71%,负重下的行走控制策略与无负重下的行走控制策略相比发生了改变,以适应负载横移扰动带来的影响。

基于生物力学分析的人体意图预测实验设计

为实现人体运动意图预测,该文提出一种基于粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法优化回声状态网络(echo state network,ESN)的模型预测控制(model predictive control,MPC)方法。首先,利用运动捕捉系统获得人体动作运动学信息,通过OpenSim软件反解算获取动力学信息;其次,以动力学信息为输入,运动学信息为输出,构建人体骨骼肌肉系统的ESN模型,并利用PSO算法优化ESN模型的关键参数;同时,将线性化后的ESN模型作为MPC控制对象,通过运动学信息,反优化MPC目标函数,求解目标结果,完成对人体运动意图的预测;最后,通过比较实验验证了所提方法的有效性。该方法对人体运动意图预测及穿戴式机器人控制算法设计等相关应用研究与教学实践具有实际意义。

嵌入式三维高速雕刻机速度控制算法的研究

采用改进的圆弧转接法减小转接点处的连接角度从而提高转接点处的雕刻速度,使整体的加工速度得到提高;为防止转接点处速度过快而导致短轴电动机过冲,以电动机矩频特性为依据并通过多段预读方式,判断电动机速度跳变转接点,经指数减速方式降低转接点处的过高速度,使电动机加工此转接点时运行平稳。经实际加工证明,在保证插补运算时间要求的情况下,实现了轨迹的连续平稳加工,较之传统的速度控制方式效率平均提高12%。

基于串联弹性原理和增广上三角分解辨识算法的踝关节阻抗估计方法

研究人体关节阻抗对仿生机器人阻抗控制策略研究有重要意义。针对前期设计的踝关节阻抗测量装置(impedance detection device for ankle joint,IDDAJ)机械结构复杂及机理法建模难度大,提出了一种基于串联弹性原理和增广上三角分解辨识(augmented upper-diagonal decomposition identification,AUDI)算法的踝关节阻抗估计方法。为降低对IDDAJ驱动单元的性能要求,基于串联弹性原理,将其输入扰动中的大直流分量和动态高频分量分离;为降低建模难度,采用不受模型阶次影响的AUDI算法直接辨识IDDAJ阻抗模型,以获得更加准确的装置阻抗模型参数。根据联合阻抗测量原理,在得到IDDAJ阻抗模型后,采用AUDI算法辨识小腿肌肉不同激活程度下踝关节阻抗模型的参数。结果表明,采用AUDI算法辨识得到的IDDAJ阻抗模型的可靠性高于采用机理法得到的;在小腿肌肉放松状态下踝关节阻抗模型的参数处于同一数量级,踝关节阻抗模型的阻尼分量B、刚度分量K与小腿肌肉激活程度成正相关,这与现有文献中的结果一致。研究结果可为IDDAJ的研制和其他关节阻抗测量方法的研究提供参考。

电动汽车无线充电系统金属异物检测方法

为了保证无线电能传输(WPT)系统的安全可靠性,针对金属异物掉落电动汽车充电区域影响系统电气特性和产生涡流发热的问题,提出不影响WPT系统功率传输能力且无检测盲点的异物检测线圈阵列.设计检测线圈谐振电路和控制电路,提高检测敏感度和准确度.搭建具有金属异物检测功能的电动汽车WPT系统实验样机,通过多种常见金属异物验证检测方法的有效性和可行性.经实验验证可知,从检测线圈上移除易拉罐、回形针和硬币等,检测电路输出电压均有明显的变化,各种金属异物的尺寸及材质各不相同,输出电压变化率存在差异,验证了提出的金属异物检测方法的有效性.

考虑动态平衡的起立意图预测

针对起立意图难以预测及黑箱模型缺乏生物力学解释的问题,提出一种考虑动态平衡的起立意图预测方法.根据人体起立运动遵循的动态平衡规律,借鉴一种考虑起立运动速度的质心轨迹非线性处理手段,即外推质心,将质心轨迹直角坐标平面变换到动态平衡基准平面,降低特征数据对人体运动速度的依赖程度,提高起立意图判断准确性.分别使用支持向量机和神经网络对所提方法进行验证,并与传统数据处理手段进行对比.结果表明:模型预测的准确率均有提升,支持向量机的预测准确率由73.3%~74.1%提升到79.9%,起立时刻与预测时刻的时间偏差从96~101 ms降低到70 ms,神经网络的预测准确率从81.2%提升到86.2%,时间偏差从87 ms降低到59 ms.

惯性测量单元全自动简易标定台设计

针对传统惯性器件标定台价格昂贵且体积庞大的问题,该文提出了一种全自动简易标定平台.以传统“三轴嵌套”模式为基础,设计了标定台的机械结构;考虑惯性传感器中的误差因素,建立了相应的线性误差模型,通过拟合载体坐标系下的输出和IMU传感器的输出获取误差参数,得到IMU在载体坐标系下的输出;以MPU9250芯片为基础,根据六位置标定法,得出芯片中陀螺仪与加速度计的标定结果.将标定后的MPU9250与高精度的MTI-300进行了对比分析,并结合人体行走定位实验,检验了标定效果.结果表明:该文设计的简易标定台能够有效提高IMU的测量精度,与商用系统相比整个系统欧拉角测量误差均方根降低至3.5以下.

直立抗扰下踝关节外骨骼人机协作控制优化

针对直立抗扰下穿戴者肌肉活动和外骨骼助力间的适应问题,提出了一种踝关节外骨骼人机协作控制参数的“人在环”优化方法.该方法将穿戴者下肢肌肉激活量作为评估人机协作适应度的指标,建立优化目标函数.在外骨骼工作过程中,使用分段阻抗控制算法计算输出力矩;采用贝叶斯优化算法,根据计算出的目标函数值进行优化,获得最佳的阻抗控制参数,实现直立抗扰下外骨骼人机协作最优控制.实验表明:该方法可以有效降低穿戴者下肢肌肉激活程度,减少穿戴者踝关节动作力矩,完成直立抗扰任务,对穿戴者有积极的辅助作用,研究结果为外骨骼人机协作控制的优化提供了一种通用的解决方法.

人体直立平衡过程中踝关节的反射和阻抗控制

为了解决人体直立扰动平衡过程中踝关节力矩的控制问题,提出一种基于肌电信号的肌肉反射模型和基于踝关节角度及角速度信息的比例微分环节反馈力矩控制模型,对人体控制机理做初步阐释.实验者站于测力平台上,受施加于背部的微小冲击,保持膝、髋关节不弯曲,仅通过踝关节转动维持站立稳定.通过惯性测量单元、肌电仪及测力平台获取运动学及动力学信息.采用数据拟合获取模型参数,结果表明模型预测结果与实验测量数据相符.

基于表面肌电的人体与环境交互力预测

提出了一种基于人体表面肌电信号的交互力预测方法.该方法仅通过使用表面肌电信号,获取各肌肉的激活状态以表征其等长状态下的肌肉力,并输入前向人体动力学模型,对下压与推两个静态动作的交互力进行了预测.静力学模型中涉及到的参数通过贝叶斯线性回归算法获得.实验结果表明该方法所预测的交互力均方根误差在2.20N以下.

基于双空间交替学习的机器人运动技能获取

针对如何基于示范任务学习让机器人自主获得完成新任务的能力的难题,提出一种高斯混合回归结合路径积分策略提升(GMR-PI2)的表达、模仿和优化框架,同时采用基函数、策略表达权系数两个空间上交替搜索执行方案来解决上述问题.核心思想是当权系数探索到最佳逼近点附近时,根据经验最优轨迹集进行基函数的自重组,然后再重启权系数搜索,从而实现从示范任务到指标集约束任务的渐进运动技能获取.经典的轨迹规划过点实验结果表明该方法是有效和可行的.

基于肌肉反射控制的人体直立抗扰仿真研究

为研究人体踝关节平衡策略,实时观察踝关节的运动状态,搭建了基于OpenSim开源仿真软件的人体肌肉骨骼仿真平台,并验证踝关节肌肉反射控制在直立抗扰时的作用.首先,调整人体模型参数,使其可保持静态直立;然后,施加扰动,对踝关节采用肌肉反射调节,使其重新达到平衡.仿真环境下可得到踝关节力矩、角度和角速度等数据,通过对比人体实验结果,验证了仿真的有效性.

一种踝关节阻抗精准检测装置

为检测踝关节机械阻抗,提出了一种简易的踝关节机械阻抗检测装置,通过两个弹性模块和一个扰动电机的配合实现了踝关节机械阻抗的测量.弹性模块为踝关节提供静态支撑力矩,大幅降低装置刚度,减小了提供随机激振所需的力矩负担,弹性模块的形变反映了轴上的转矩.弹性模块与扰动电机配合,将电机的位置控制间接转化为转矩控制,实现了随机激振和随动两种电机控制模式.通过验证性实验检验证明该装置可估计踝关节的阻抗参数,将该装置用于人体踝关节机械阻抗的测量,获取了一组实验者踝关节阻抗数据.

考虑摩擦补偿的SEA弹性体刚度在线估计方法

提出了一种考虑摩擦补偿的串联弹性作动器(SEA)弹性体刚度在线估计方法.该方法利用作动器在适当条件下电机电流补偿摩擦力矩后估计的力矩来实时校准弹性体刚度,以减小弹性体刚度变化带来的力矩估计误差.通过实验定量分析了基于谐波减速器的系统摩擦力矩模型参数.对比弹性模型和电流模型计算力矩的优缺点,分析出当电机角速度在适当范围且负载变化较小的稳定状态时,电流力矩模型补偿摩擦力矩后可准确地计算负载力矩.负载稳定状态时,以电流模型估计力矩,并采用卡尔曼滤波算法对弹性体刚度实时校准.负载不稳定状态时,以弹性模型估计力矩.实验结果表明,本方法能有效克服弹性体刚度变化导致的力矩误差.

仿人体下肢的单腿机器人主动柔顺控制研究

在复杂地形环境下,腿式机器人与地面接触发生碰撞,冲击力会影响其运动稳定性,甚至损坏其内部结构。人体下肢的柔顺性,使其在运动过程中表现出优异的着地缓冲特性,为此,通过仿生研究实现腿式机器人柔顺性,对于提高其移动能力非常重要。作者基于人体下肢生物力学特性,将人体下肢结构特性映射到单腿机器人上,开展着地任务下机器人着地缓冲策略的仿生研究,提高机器人的适应性和稳定性。基于搭建的测试平台,研究在不同控制参数下单腿机器人样机的着地缓冲性能。研究发现,基于主动柔顺的单腿机器人,通过改变控制参数来改变腿部等效刚度。当机器人腿部等效刚度较低时,可起到缓解地面冲击力的作用。

融合高度数据的行走定位算法研究

为了提高航姿参考系统跟踪人体行走位移的能力,抑制垂直方向位移的严重漂移,在系统中加入高度计芯片BMP180,并提出了基于互补滤波的信息融合算法,用于提高定位精度.分析发现:漂移是加速度二次积分过程中误差累计造成的,时间越长,精度越差;与之相对,高度计的测量结果几乎没有漂移,但短时精度很低;互补滤波融合了两者的优势,取长补短,提高了垂直方向位移的估计精度.新增加的芯片BMP180价格低廉,互补滤波算法计算量小,实验结果表明垂直方向位移的漂移已经完全消除.