异构双腿机器人步态识别系统的设计与实现

论文摘要

双腿行走机器人作为探索人类步行运动机理的重要方式,能够很好地模拟人类的正常行走。但对于非正常行走,如残障人士的步行运动,则不能完全模拟。智能假肢研发过程中,需要残疾人装配假肢进行实验。由于残疾人身体有缺陷,不可能作大量、多样及重复性的实验,这无疑会影响智能假肢的研发进度。异构双腿机器人(Biped Robot with Heterogeneous Legs,简称BRHL)是一种新型的机器人模式,它从改进双腿行走机器人行走拟人特性,为智能假肢提供一个研究平台等角度出发,是双腿行走机器人与智能假肢研究的集成。本文在阐明异构双腿机器人的研究意义、内容及研究现状的基础上,对步态信号检测系统的设计和组成进行了介绍,详细的讲述了下位机采集系统的各个部分的硬件设计以及上位机软件部分的设计原理和设计过程。在实现了整套系统的基础上,不仅采集了很多的步态数据,而且深入研究了不同运动状态下的步态识别和步态规划的新方法。为了使智能仿生腿跟随人工腿的步态,需要对仿生腿的步态进行识别,本文利用安装在人体上的惯性传感器和速度传感器检测数据信息来模拟双足机器人的运动信息,作为步态识别系统的输入量。分别利用快速傅里叶变换(FFT)的方法结合BP神经网络和支持向量机对输入样本进行识别,取得了较好的识别效果。智能假肢最终要装配在残疾人伤腿上,智能仿生腿的步态数据的训练是一个步态规划的过程,因此设计出适合于残疾人应用的智能仿生腿的步态规划方法具有重要意义。本文提出了一种新的判定人体步态对称性的方法,通过PCA的步态数据重构方法不仅证明了人体步态数据的对称,同时也说明了它也是一种好的智能假肢步态规划的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 异构双腿机器人研究背景
• 1.2.1 双腿行走机器人研究现状
• 1.2.2 智能假肢研究现状
• 1.3 课题的提出及研究意义
• 1.3.1 异构双腿机器人的提出
• 1.3.2 课题的研究意义
• 1.4 论文主要工作
• 1.4.1 本文主要研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 第2章 步态检测、辨识和规划的研究背景和研究基础
• 2.1 引言
• 2.2 步态数据检测手段
• 2.2.1 常用的步态数据检测手段
• 2.2.2 步态数据检测手段的研究基础
• 2.3 步态识别方法
• 2.3.1 常用的步态识别方法和手段
• 2.3.2 步态识别的研究基础
• 2.4 步态规划方法
• 2.4.1 常用的步态规划方法
• 2.4.2 步态数据规划方法的研究基础
• 2.5 本章小结
• 第3章 步态数据检测装置的开发与应用
• 3.1 引言
• 3.2 步态数据检测装置的总体设计
• 3.3 步态数据检测装置的硬件设计
• 3.3.1 电源
• 3.3.2 单片机和数据通道的设计
• 3.3.3 晶振和硬件电路的滤波
• 3.3.4 串口的输出设计
• 3.3.5 JTAG调试端口的设计
• 3.3.6 检测终端的传感器
• 3.3.7 硬件的实现结果
• 3.4 步态数据检测装置的软件设计
• 3.4.1 检测装置的下位机的设计
• 3.4.2 检测装置的上位机的设计
• 3.5 人体实验和步态数据库的建立
• 3.6 数据滤波
• 3.7 本章小结
• 第4章 运动在不同路况下的步态识别
• 4.1 引言
• 4.2 特征提取和选择
• 4.2.1 小波变换
• 4.2.2 基于快速傅立叶变换特征提取
• 4.3 基于支持向量机的步态识别
• 4.3.1 线性情况
• 4.3.2 线性不可分情况
• 4.4 实验过程
• 4.5 实验结果
• 4.6 实验结果的比较
• 4.7 本章小结
• 第5章 基于步态对称性的数据重构
• 5.1 引言
• 5.2 步态的对称性
• 5.3 基于PCA的数据重构理论
• 5.4 步态对称的讨论和PCA数据重构的步态规划
• 5.5 步态对称性的其他表现
• 5.5.1 估计步长、步伐节奏
• 5.5.2 估计膝关节角度
• 5.5.3 步态对称性指标
• 5.5.4 结果分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 问题与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文