基于表面肌电信号控制的七自由度上肢外骨骼机器人研究

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1、硕士学位论文基于表面肌电信号控制的七自由度上肢外骨骼机器人研究RESEARCHONSEVEN-DOFUPPERLIMBEXOSKELETONROBOTBASEDONSEMGSIGNALCONTROL张宇星哈尔滨工业大学2018年6月I国内图书分类号：TP242学校代码：10213国际图书分类号：681密级：公开工程硕士学位论文基于表面肌电信号控制的七自由度上肢外骨骼机器人研究硕士研究生：张宇星导师：赵杰教授申请学位：工程硕士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学II哈尔滨工业大学工程硕士学位论文Class

2、ifiedIndex:TP242U.D.C:681DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONSEVEN-DOFUPPERLIMBEXOSKELETONROBOTBASEDONSEMGSIGNALCONTROLCandidate:ZhangYuxingSupervisor:Prof.ZhaoJieAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:MechanicalEngineeringAffiliation:SchoolofMech

3、atronicsEngineeringDateofDefence:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着我国老龄化现象的日益加剧以及心脑血管疾病发病低龄化等原因，我国运动困难或丧失运动能力的体弱人群逐渐增多。对于体弱人群的生活辅助在现阶段还是主要靠人工或传统运动辅助产品实现，而这样的辅助模式从成本、资源到患者的生活质量都难以满足社会需求。同时，临床医学证明，面向体弱人群的康复训练，对于其运动能力的恢复有着很大帮助。外骨骼作为

4、一种可穿戴式设备，有着运动灵活、功能丰富、康复治疗与生活辅助相结合等优点，成为了未来体弱人群生活辅助设备的最优选择。而现有上肢外骨骼则存在着成本高、重量大、运动意图识别差、穿戴舒适性差等缺陷。因此，本课题在课题组研发的六自由度上肢外骨骼平台基础上，研发了一套七自由度上肢外骨骼机器人。同时研究了sEMG信号-关节角度间的预测算法、外骨骼控制算法，进行了上肢外骨骼的实验研究。由于七自由度上肢外骨骼需要穿戴使用，所以本课题首先对人体上肢进行了运动学分析，并且对现有六自由度上肢外骨骼系统进行了测试与分析。根据分析结果制定了七自由度上肢外骨骼的设计方案。本课题所研

5、究外骨骼采用套索传动方案，使得电机布置更为灵活。得益于套索传动方案，外骨骼整体自重3.5kg，重量相对于现有上肢外骨骼较轻。在系统中，增加了一个大臂旋内/旋外转动关节。这一自由度的加入解决了原有方案由于自由度缺乏造成的运动受限，灵活性较低的问题。同时，为了解决套索传动系统所导致的类迟滞现象，在上肢外骨骼中加入了一套多级钢丝绳张紧系统。该系统由三种张紧装置组成，分别适用于外骨骼不同的安装位置及张紧力需求。除此之外还在各个关节设计了绝对式编码器，用以测量各关节的实际运动角度，补偿套索传动系统带来的传动失真问题。在设计完成后还对本课题所设计的七自由度上肢外骨骼

6、进行了运动学分析。本课题所研究上肢外骨骼设计有两种使用模式，分别为外骨骼带动穿戴者运动的被动模式与穿戴者控制外骨骼运动的主动模式。为了能够更为精准快速的识别穿戴者的运动意图，本文设计了一套表面肌电信号（sEMG）的采集、处理、运算机制。提取sEMG信号中的五个主要特征信号作为算法输入值、以随机森林算法进行sEMG-关节运动角度预测，进行了实验验证了本课题所设计算法的优越性。最后为了验证本课题所研发的上肢外骨骼的实际训练效果，进行了系统实I哈尔滨工业大学工程硕士学位论文验，进行了能够代表外骨骼两种使用模式的三个实验：外骨骼被动模式控制实验、肌电信号离体控制

7、实验、及肌电信号穿戴控制实验。实验结果表明所研究的外骨骼结构与算法可以较好的实现对于体弱人群康复训练及运动辅助的目标，性能较好。关键词：表面肌电信号；上肢外骨骼；随机森林算法；套索传动；PID控制II哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeincreasingaginginChinaandtheonsetofcardiovascularandcerebrovasculardiseasesatayoungerage,thenumberofpeoplewithsportsdifficultiesorincapacitatedphysica

8、linfirmityisincreasing.Forweakpeopleassi