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下肢助力外骨骼机器人控制系统人机共融策略研究

2020-12-02阅读(213)

下肢助力外骨骼机器人控制系统人机共融策略研究

论文摘要

下肢助力外骨骼机器人是一种可穿戴式设备,它的出现使得穿戴者增强在负重行走、托举搬运和边检巡逻的运动技能,其作用主要在穿戴者展现自身运动动作时,无阻碍增强穿戴者的耐力、提高穿戴者的负重能力、保护穿戴者运动肢体,进而,提高穿戴者的工作效率或战斗力。下肢助力外骨骼机器人可以在人体运动的同时有机融合人体的下肢和上身部分,这种可穿戴设备通常由两条拟人化机械腿、相应的支撑连接设备以及配套的软硬件设施等组成。本文致力于研究下肢助力外骨骼机器人控制系统的人机共融策略,从而提高下肢外骨骼机器人与穿戴者共存融合的能力。首先,基于人体生物工程学和人体解剖学,详细地分析了人体下肢关节运动和人体正常步态行走的特点。基于拉格朗日方程,对下肢助力外骨骼机器人的站立相和摆动相分别进行动力学建模。基于混杂自动机理论,给出下肢外骨骼机器人混杂动力学系统模型。设计了柔性关节外骨骼机器人、轻型下肢外骨骼机器人和重型下肢外骨骼机器人的控制系统。其次,设计了稀疏高斯过程的交互模型和周期运动的中枢模式发生器。根据策略改进和路径积分理论,以及协方差矩阵自适应策略,提出了基于人机交互的增量式轨迹基元学习算法Efficient PI2-CMA-ES,并给出了底层控制器的权重参数的更新方法,进而提出了一种下肢助力外骨骼机器人位置环的轨迹基元在线增强学习人机融合策略。再者,根据隐马尔可夫模型和分布式高斯过程,建立了用来辨识系统的空间变量的分布式高斯滤波和平滑的隐状态模型,结合在线增强学习的（1+1）-CMAES算法改进灵敏度放大控制算法,使得灵敏度放大因子可以自适应更新学习,测试了四种数据融合算法并搭建了完整的分布式框架,进而提出了一种下肢助力外骨骼机器人力矩环的灵敏度概率人机融合策略。最后,建立了单关节串联弹性驱动器模型。根据串联弹性驱动器可感知外部力矩的特点,人体与下肢助力外骨骼机器人的交互将被视为扰动,并经由扰动观测器来补偿。通过设计Q滤波器提高系统的鲁棒性,结合模型预测控制,提出了一种针对下肢助力外骨骼机器人串联弹性驱动器的基于扰动观测器的模型预测人机融合策略。另外,根据内模控制的特点,通过分布式高斯过程在线学习的方法建立了局部准确的内模模型。根据在线的数据流入和流出,保证了局部内模模型的准确性和实时性。从而提出了另一种针对下肢助力外骨骼机器人单关节串联弹性驱动器的自演变内模模型人机共融策略。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 课题背景和研究意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 国外研究现状
  •     1.2.2 国内研究现状
  •     1.2.3 研究现状与发展趋势分析
  •   1.3 下肢助力外骨骼机器人人机共融策略问题分析
  •     1.3.1 人机交互共融策略问题分析
  •     1.3.2 上层轨迹规划共融策略问题分析
  •     1.3.3 反馈控制共融策略问题分析
  •     1.3.4 柔性关节驱动共融策略问题分析
  •   1.4 主要研究内容
  • 第2章 下肢助力外骨骼机器人模型建立和控制系统设计
  •   2.1 引言
  •   2.2 人体生物工程学
  •     2.2.1 人体下肢关节运动分析
  •     2.2.2 人体正常步态行走分析
  •   2.3 基于混杂自动机的下肢助力外骨骼机器人动力学系统
  •     2.3.1 外骨骼机器人动力学建模
  •     2.3.2 基于混杂自动机的动力学系统
  •   2.4 下肢助力外骨骼机器人控制系统设计
  •     2.4.1 柔性关节外骨骼机器人控制系统设计
  •     2.4.2 轻型下肢外骨骼机器人控制系统设计
  •     2.4.3 重型下肢外骨骼机器人控制系统设计
  •   2.5 总结
  • 第3章 下肢助力外骨骼机器人位置环的轨迹基元在线增强学习人机共融策略
  •   3.1 引言
  •   3.2 周期运动轨迹设计
  •     3.2.1 周期运动的中枢模式发生器
  •     3.2.2 基于稀疏高斯过程的交互模型设计
  •   3.3 基于人机交互的增量式轨迹基元学习
  • 2-CMA-ES关节轨迹学习算法'>    3.3.1 Efficient PI2-CMA-ES关节轨迹学习算法
  •     3.3.2 权重参数的学习与更新
  •   3.4 轨迹基元在线增强学习人机共融策略实验
  •     3.4.1 实验内容
  •     3.4.2 实验的结果与讨论
  •   3.5 结论
  • 第4章 下肢助力外骨骼机器人力矩环的概率灵敏度人机共融策略
  •   4.1 引言
  •   4.2 灵敏度放大控制及其局限性
  •     4.2.1 灵敏度放大控制的灵敏度表述
  •     4.2.2 灵敏度放大控制的局限性
  •   4.3 分布式隐状态变量辨识
  •     4.3.1 基于分布式高斯滤波与平滑模型学习
  •     4.3.2 分布式隐状态变量辨识过程与数据融合框架设计
  •   4.4 灵敏度放大因子自适应学习
  •     4.4.1 （1+1）-CMA-ES参数学习算法
  •     4.4.2 灵敏度放大因子的有界优化
  •   4.5 概率灵敏度人机共融策略实验
  •     4.5.1 实验内容
  •     4.5.2 实验的结果与讨论
  •   4.6 结论
  • 第5章 下肢助力外骨骼机器人单关节串联弹性驱动器的人机共融策略
  •   5.1 引言
  •   5.2 单关节串联弹性驱动器设计
  •     5.2.1 串联弹性体模型
  •     5.2.2 单关节弹性驱动器建模
  •   5.3 基于扰动观测器的高精度模型预测人机共融策略
  •     5.3.1 关节串联弹性驱动器模型预测控制器设计
  •     5.3.2 基于扰动观测器的人机交互估计和Q滤波器设计
  •   5.4 基于扰动观测器的高精度模型预测人机共融策略实验
  •     5.4.1 实验内容
  •     5.4.2 实验的结果与讨论
  •   5.5 自演变内模模型人机共融策略
  •     5.5.1 高斯内模控制
  •     5.5.2 离线分布式内模模型学习
  •     5.5.3 在线分布式自演变内模模型学习
  •   5.6 自演变内模模型人机共融策略实验
  •     5.6.1 实验内容
  •     5.6.2 实验的结果与讨论
  •   5.7 结论
  • 结论
  • 参考文献
  • 附录A 下肢外骨骼机器人动力学辨识模型
  •   A.1 动力学辨识模型
  • 附录B 高斯过程和高斯过程传递
  •   B.1 高斯过程
  •   B.2 高斯过程传递
  • 附录C 关节轨迹学习算法
  • 2-CMA-ES伪代码'>  C.1 Efficient PI2-CMA-ES伪代码
  • 攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
  • 致谢
  • 个人简历

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 王立坤

    导师: 沈毅,杜志江

    关键词: 概率灵敏度,串联弹性驱动器,外骨骼机器人,控制系统,人机共融策略

    来源: 哈尔滨工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

    专业: 生物学,生物医学工程,自动化技术

    单位: 哈尔滨工业大学

    分类号: R318;TP242

    DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005260

    总页数: 141

    文件大小: 24412k

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