基于EMG振子模型的人機(jī)力交互接口與下肢外骨骼機(jī)器人主動(dòng)柔順性控制.pdf

1、目前，主流的外骨骼控制策略（力、位置或力位混合控制方式）從原理上存在滯后，難以達(dá)成真正的人機(jī)一體化。因此，很多研究已嘗試將人體的肌電信號(hào)(EMG)作為控制信號(hào)引入外骨骼系統(tǒng)，以期解決滯后性難題。雖然這些研究取得了一定效果，但關(guān)于如何選取合適的基于EMG提取的特征量，以及如何將這些量合理地引入控制系統(tǒng)仍未揭示清楚。針對(duì)以上難題，本學(xué)位論文旨在首先明確人體骨骼肌收縮與關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)機(jī)理，其次，面向?qū)崟r(shí)工程應(yīng)用得到相應(yīng)的控制學(xué)模型；最后，

2、以膝關(guān)節(jié)為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)下肢外骨骼的主動(dòng)柔順控制。為了嘗試從 EMG中高效地提取正確的肌肉激活量信息，需要從EMG信號(hào)的產(chǎn)生源頭—運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元所發(fā)放的動(dòng)作電位出發(fā)，首先研究動(dòng)作電位調(diào)控及驅(qū)動(dòng)肌肉收縮的控制學(xué)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，探索如何建立面向肌肉力實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)的新型骨骼肌生物力學(xué)模型，從而明確從EMG特征量到骨骼肌力產(chǎn)生的控制學(xué)內(nèi)涵，包括模型各物理量之間的輸入輸出關(guān)系。其次，從生物力學(xué)原理出發(fā)，嘗試開發(fā)全新的基于EMG物理模型的特征量提取算法，使其

3、能夠適用于骨骼肌激活程度的實(shí)時(shí)表征。最后，基于新型骨骼肌生物力學(xué)模型，分析人-外骨骼之間的耦合動(dòng)力學(xué)與人機(jī)交互力的產(chǎn)生機(jī)理，并利用在線智能控制算法建立新型人機(jī)力交互接口，進(jìn)行人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)與外骨骼主動(dòng)柔順控制。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容與成果歸納如下：
　　1）骨骼肌收縮的生物電化學(xué)變頻調(diào)控原理。以興奮-收縮偶聯(lián)過程（ECC）為對(duì)象,建立了肌膜動(dòng)作電位活動(dòng)與由之引發(fā)的胞漿Ca2+濃度（[Ca2+]）變化的生物電化學(xué)模

4、型;以此模型為基礎(chǔ),從控制學(xué)角度闡明了骨骼肌收縮功率的調(diào)控方式,即作為控制信號(hào)的動(dòng)作電位如何調(diào)控作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的[Ca2+],及其間接調(diào)控肌肉收縮力的原理；明確了動(dòng)作電位對(duì)骨骼肌動(dòng)態(tài)收縮功率的調(diào)控方式是變頻控制,并基于EMG特征頻率與運(yùn)動(dòng)單元主導(dǎo)放電頻率的關(guān)系，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)變頻調(diào)控原理進(jìn)行了初步驗(yàn)證。
　　2）骨骼肌收縮的半唯象生物力學(xué)模型。針對(duì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)肌肉收縮狀態(tài)這一挑戰(zhàn)，提出了肌小節(jié)運(yùn)行過程中各動(dòng)力學(xué)環(huán)節(jié)的解耦框架，通過整合線性與

5、非線性動(dòng)力學(xué)框架，構(gòu)建了肌小節(jié)的半唯象模型。為了便于工程應(yīng)用與控制，模型包含很少的參數(shù)并且不包含任何偏微分方程，使其高度精簡(jiǎn)且相比傳統(tǒng)模型計(jì)算效率大為提高。通過仿真模擬多種收縮狀態(tài)（包括等長、等速），驗(yàn)證了模型的有效性。
　　3）EMG信號(hào)的振子模型與骨骼肌激活量的能量核表征方法。提出了一種肌肉激活量與肌肉固有特性表征的新方法，稱為能量核方法。其初衷在于將EMG信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槠矫鎯?nèi)的相圖，而相圖上狀態(tài)點(diǎn)的分布核心即稱作能量核。基于相圖

6、的統(tǒng)計(jì)特征，將一段EMG信號(hào)近似為簡(jiǎn)諧振子—EMG振子。進(jìn)而初步從生物力學(xué)角度將控制信號(hào)（EMG）與輸出信號(hào)（力/功率）聯(lián)系了起來，并用EMG的特征能量來表征肌肉收縮力。
　　4）人機(jī)力交互接口與下肢外骨骼機(jī)器人的主動(dòng)柔順性控制。針對(duì)后期康復(fù)中的“病人主導(dǎo)模式”需求，提出了針對(duì)外骨骼膝關(guān)節(jié)的交替式預(yù)測(cè)-補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)控制框架?；诠趋兰〉陌胛ㄏ竽Ｐ团c人機(jī)物理交互機(jī)理（HMIM）設(shè)計(jì)了新型人機(jī)力交互接口，包括一個(gè)在線自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)器（利用