一种用于步态检测的柔性双足助力机器人感知系统的研究

论文摘要

可穿戴步行助力机器人是一种交互式机器人系统,在日常生活、运动康复、临床医疗及军事应用等领域有广阔的前景。它通过感知系统获取穿戴者的运动意图,并检测当前人体及机器人所处的状态,利用这些信息规划、控制机器人的执行机构,帮助人体完成步行运动的动作。机器人对人体进行助力的第一步就是对人体运动意图的识别。而步行运动的最重要的特点是呈现出一定的周期性。机器人对人体的助力首先要对步态的周期性进行检测,识别步态各个周期并针对不同周期的运动特点规划机器人的运动。而步行过程中,足底与地面的接触力是非常重要的信息,随步行的过程也表现出响应的周期性。本文首先对人体步行运动进行深入分析,找出足底压力与步态变化的同步特点,然后设计了机器人的感知系统,通过采集足底的压力变化信息对步态的周期进行识别、划分,从而使控制系统可以根据不同的步态相位,规划机器人的运动,是机器人的动作更柔顺、得到更好的助力效果。本文的主要内容如下:1.分析人体步态运动的特点:从解剖学角度入手,分析步行时下肢的运动的特点。并调研步态检测的方法。2.感知系统的设计与实现:介绍了感知系统的总体设计概念,对足底压力传感器选型,设计调理电路,标定传感器,并编写了数据采集的软件,完成感知系统的设计。3.利用感知系统对人体步行做实验研究:对实验的方法和环境进行介绍。然后根据实验得到的数据,对其中的特征进行描述与解释,并深入分析各步态周期内的特征。最后提出步态周期划分、识别的方法,并验证了周期划分的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究内容
• 1.3 论文的结构安排
• 第2章 步行运动分析
• 2.1 人体步行运动分析
• 2.1.1 人体下肢解剖学机理
• 2.1.2 步行运动分析
• 2.2 步态检测的方法
• 第3章 感知系统的设计与实现
• 3.1 柔性双足下肢步行助力机器人
• 3.2 足底压力信息的获取
• 3.2.1 传感器的选型与标定
• 3.2.2 信号调理电路的设计
• 3.2.3 Flexiforce 的布局
• 3.3 其他传感器的应用
• 3.3.1 加速度传感器
• 3.3.2 电位器传感器
• 3.3.3 系统抗干扰措施
• 3.4 数据采集与处理软件
• 第4章 感知系统的实验分析
• 4.1 实验方法与环境介绍
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 总体特征
• 4.2.2 足底压力与步态周期分析
• 4.3 压力特征与步态周期识别
• 第5章 结束语
• 5.1 工作总结
• 5.2 未来工作展望
• 致谢