一种通过表面肌电信号控制的柔性机械肢体设计

摘 要

　　由于人口老龄化问题日益严重，老年人行走不便、易疲劳等问题的出现使得助行设 备被越来越多的老年人使用。由于大部分助行设备需老年人手动控制且多为刚性，导致 地面对肢体产生冲击造成二次伤害，结合 60~80 岁老年人的实际运动需求，本文设计了 一种通过表面肌电信号控制的柔性机械肢体，并通过运动学分析、联合仿真、拓扑优化 等工作，对该设计进行了验证：

　　首先根据老年人的运动形式和人体结构对柔性机械肢体和柔性关节的机械结构进 行设计，并根据所设计的机械结构对驱动方式进行选择。为保证机械肢体与老年人步态 相配合，达到平衡助力的效果。根据所设计的机械结构，通过多体动力学软件 ADAMS 进行运动仿真和结果分析，获得机械肢体的关节转角、末端支撑的运动轨迹，并基于 ADAMS 对柔性关节进行抗冲击性能分析，进而对柔性关节的抗冲击性进行验证。

　　通过采集老年人下肢特征肌肉群的表面肌电信号，并将其进行预处理和特征值提取， 利用短时傅里叶变换思想获取特征值的变化趋势，进而推断出老年人的运动意图，将得 到的运动意图作为柔性机械肢体控制系统的触发信号。利用 MATLAB 搭建控制系统， 并与 ADAMS 进行联合仿真，采用 PD 控制器，实现联合仿真，验证了柔性机械肢体在 输入给定信号的情况下的有较好的轨迹跟踪能力。

　　基于 ANSYS Workbench 平台对机械肢体零件进行拓扑优化设计，使其达到轻量化 设计要求，并对优化后的零件进行强度校核及位移分析，进而对优化结构的合理性进行 验证。本文的研究工作对柔性机械肢体的可靠性和有效性提供了科学依据，为今后的样机 制作提供了理论基础，具有重要的理论参考及工程应用价值。

　　关键词：柔性机械肢体；ADAMS 仿真；控制系统；强度校核

Abstract

　　Due to the increasingly serious problem of population aging, the emergence of problems such as the inconvenience of walking and fatigue of the elderly have made mobility aids used by elderly people. Since most of the walking aids need to be manually controlled by the elderly and are mostly rigid, resulting in the impact of the ground on the limbs and causing secondary injuries, combined with the actual sports needs of the 60~80 elderly, this paper designs a flexible machine controlled by surface EMG signals. Body, and through kinematic analysis, co-simulation, topology optimization and other work, the design was verified:

　　First, the mechanical structure of the flexible mechanical limbs and flexible joints is designed according to the motion form of the elderly and the human body structure, and the driving mode is selected according to the designed mechanical structure. In order to ensure that the mechanical limbs cooperate with the gait of the elderly to achieve the effect of balance boosting. According to the designed mechanical structure, the multi-body dynamics software ADAMS is used to perform motion simulation and result analysis to obtain the motion trajectory of the joint corners and end supports of the mechanical limbs. Based on ADAMS, the impact resistance performance of the flexible joint is analyzed, and then the flexible joint The impact resistance is verified.

　　By collecting the surface EMG signal of the characteristic muscle groups of the lower limbs of the elderly, and preprocessing and extracting the characteristic value, the short-time Fourier transform idea is used to obtain the change trend of the characteristic value, and then infer the movement intention of the elderly. The obtained motion intention is used as the trigger signal of the flexible mechanical limb control system. Using MATLAB to build the control system, and conduct joint simulation with ADAMS, and use PD controller to realize the joint simulation, which verifies that the flexible mechanical limb has a better trajectory tracking ability under the condition of inputting a given signal.

　　Based on the ANSYS Workbench platform, the topological optimization design of mechanical limb parts is carried out to meet the requirements of lightweight design, and the strength check and displacement analysis of the optimized parts are carried out to verify the rationality of the optimized structure. The research work in this article provides a scientific basis for the reliability and effectiveness of flexible mechanical limbs, and provides a theoretical basis for prototype production, which has important theoretical references and engineering application values.

　　Key Words:Flexible mechanical limbs;Adams simulation;Control system;Strength check

目 录

　　第一章 绪论

　　1.1 课题研究目的和意义

　　根据来自《中国人口老龄化发展现状、成因与对策研究》的相关资料可知，近年来， 随着社会经济的不断发展，我国医疗水平以及饮食健康的水平的逐步提高，人口的平均 寿命不断增加[1].但在生育率降低的条件之下，人口老龄化的问题逐渐突显出来，而且 在未来，我国人口老龄化的问题将日益严重。尤其 60 到 80 岁的老年人身体机能老化显 著，在运动过程中易出现意外。因此，为防止意外事故对老年人造成的危害，随着老年 人助行器的研究不断深入，传统康复治疗方法的不足通过机械肢体的方式进行了弥补。 近年来，市场上的老年人辅助行走装备种类不断丰富。如图 1.1 所示，传统的装备有轮 椅、手杖、轮椅、助行车和外骨骼机器人等。

　　因此本课题针对 60 岁到 80 岁老年人设计了运动辅助装置柔性机械肢体，该装置能 辅助老年人保持平衡，并且其中串联弹性驱动器可以起到缓冲和减振作用，保证老年人 的安全增加机械肢体的柔顺性。柔性机械肢体通过表面肌电信号对人体行为做出识别， 使人与机械肢体之间达到交互的目的，它完全解放了使用者的双手，使用户活动更加灵 活、更加自由。 刚性机械肢体对老年人虽然能起到辅助行走的作用，但是由于老年人的身体机能衰 退可能会对人体产生冲击造成伤害。而柔性机械肢体的材料采用柔软、富有弹性、惯性 较低的元件，并在关键位置加入弹性缓冲装置，不仅能起到辅助老年人运动的作用，而 且可以起到缓冲保护作用[2].除此之外，在与人体连接的部分通过采用轻质、耐用的纺

　　织品方式，对柔性机械肢体的绷带进行布置，以此减少设备产生的刚性运动对人体造成 的伤害。柔性机械肢体与人体下肢的运动特征有较好的匹配，从而可以实现对关节在运 功中功能特性的模拟[3].

　　1.2 机械肢体的研究现状

　　1.2.1 国外研究现状

　　机械肢体用处广泛，一般用于协助老年人、行动不便者以及需要进行康复治疗伤员 的关节运动。除此之外，机械肢体也具有力量强化及降低工作疲劳等作用。许多学者从 机械肢体的结构入手对机械肢体结构的设计进行了分析和研究。 Y.Lee 等设计了一种新型的老人可穿戴步行辅助装置，该装置具有全新设计的柔性 支撑框架以及拟人化的关节设计[4].其示意图如图 1.2 所示。

　　Y. Imamura 等利用目标运动与相应的肌肉力之间的关系来设计弹性带的布置和特 性，设计了名为 Smart Suit Lite 的无源动力辅助支持器，该装置能使受试者感到明显的 运动强化[5],如图 1.3 所示。

　　Chen 等通过运动学/动力学耦合模型的方式，设计了一个坐卧式外骨骼机器人来进 行下肢康复。在该模型的基础上，Chen 根据动力学参数识别方法，提出了一种人体下 肢主动关节扭矩的估计方法，以实现人体运动意图的预测。并通过扭转传感实验的方式 对该模型及估算方法进行了测试[6]. Sado 设计了一种可穿戴式下身外骨骼以增强进行下肢运动时所需要的力量。外骨骼 采用仿生学设计，每条腿具有六个自由度，其中有源自由度由双向无刷直流电动机驱动， 骨骼控制器采用低级线性二次高斯扭矩控制器实现对与运动的检测和力量的控制。通过 实验测试得出该外骨骼可使特定肌肉激活最小化可以达到 36%以上[7]. Lovrenovic 和 Doumit 针对步行辅助外骨骼提出了一种被动式外骨骼的开发方法， 这种外骨骼通过无动力的座椅机构使用者的骨盆上产生向上的力，从而增强站立和行走 过程中的活动能力[8].并且通过实验评估了该种开发方法开发出的步行辅助外骨骼的性 能。Kawale 和 Sreekumar 基于运动学和动力学分析的结果，对设计变量进行优化后，提 出了一种可穿戴式下身外骨骼机构的概念设计，该机构可减轻使用人员下半身的身体疲 劳同时提高使用人员的负荷能力[9]. 对于柔性机械肢体而言，其辅助运动的控制策略对柔性机械肢体的驱动作用是否符 合人体正常运动规律起关键作用。如何建立人类下肢运动模型，以及选择何种控制策略 是优化柔性机械肢体的重要部分。

　　Sherwani 等为了在减少干扰影响的同时实现对运动跟踪的准确性，开发了一种自适 应 RISE（信号误差的鲁棒积分）控制器，并在一种智能交流和对意图敏感的外骨骼膝盖外骨骼上进行实验测试[10].实验证明，与传统控制器相比，该种控制器的跟踪误差更 低。Kazemi 和 Ozgoli 将成本函数用于增加运动轨迹的平滑度，通过优化反馈控制器使 成本函数最小化的方式跟踪边界条件，并使用逆运动学转换生成适当的关节角度，实现 了对人类步行模式的建模[11]. 为了使机械肢体辅助运动的过程与人体运动过程更好的匹配，同时为了防止机械肢 体在辅助运动过程中对人体造成刚性冲击。辅助运动的机械肢体一般都进行驱使躯体运 动过程更加平稳的柔性处理。串联弹性驱动器（SEA）是一种具有低输出阻抗的力输出 驱动装置，其广泛应用于机械肢体柔性处理的过程当中，是实现机械肢体柔性处理的核 心部分，其工作原理图如图 1.4 所示。

　　Hong 等通过运动学分析的研究方式，立足于仿生学角度，从青蛙的跳跃过程中获 得思路，采用了无闩锁机构的串联弹性驱动器替代了小型跳跃机器人原有的弹射驱动机 构[12].与原有弹射机构相比，串联弹性驱动器与弹性联结装置结合后，能发挥出更大弹 性储能优势。 Sun 等针对串联弹性驱动器在机械肢体人机交互过程中所产生的来自外界感染及载 荷反馈参数变化负面影响，提出了一种实用的限时输出反馈控制器（FT-OFC）以及限 时扩展状态观察器（FT-ESO）来生成串联弹性驱动器所需的扭矩[13].随后基于 Lyapunov 分析，证明了反馈及观察装置的可靠性及准确性。 Yano 等对应用于 Biped 机器人的串联弹性驱动器进行了分析，认为当前的串联弹 性驱动器在强度、驱动力输入控制以及长时间工作耐久等方面仍然存在问题，于是通过 数值仿真的方式测试了优化关节轨迹弹簧刚度以及采用一种输入-输出线性化的轨迹跟 踪控制法两种方法的可行性[14].

　　Zhao 和 Sentis 出于串联弹性执行器在有关设计最佳的阻抗控制器、表征具有时间延 迟和滤波的 SEA 的阻抗性能等方面的考虑，提出了一种 SEA 级联控制体系结构设计临界阻尼增益设计方法来解决最优控制器设计问题[15].该方法由外阻抗和内转矩反馈回路 组成，并经过仿真和实验方法得到了测试。 Li 等将串联弹性执行器应用于肌肉张力训练设备，并确定了一套肌肉训练过程中基 于传感器所获取的电反馈信号和预设的肌肉锻炼模式来推导增益调度函数的刚度自适 应增益算法[16]. Marconi 等采用实验测试的方法，分析了应用于 Hande Xos-Beta 手指康复新型食指 拇指外骨骼的串联弹性执行器的包括频率响应、末端执行器力和输出阻抗及转矩控制系 统性能等方面的工作状态[17]. Stuhlenmiller 等以能量消耗最小化程度作为串联弹性驱动器优化的衡量准则，研究 了步态变化对膝关节串联弹性驱动器能量消耗和约束的影响[18].结果表明步态节奏越慢， 串联弹性驱动器能量消耗越大；且与串联弹性致动器相比，可离合的串联弹性致动器受 约束的影响较小。

　　1.2.2 国内研究现状

　　浙江大学研发的外骨骼将使用者的行为与外骨骼机器的行为能力进行了结合，将使 用者的脚底的压力传感器作为输入信号，并基于此思想结合模糊神经网络控制理论[19]. 设计出了一种以气动系统为驱动装置的新型的可穿戴式下肢步行外骨骼机构，如图 1.5 所示。

　　哈尔滨工业大学设计了一种助力型外骨骼机器人，分析了人体的身体结构及运动特 点。该机器人将髋关节、膝关节矢状面内的伸屈设计为主动自由度[20].通过传感器对下 肢运动过程中髋关节角度、力矩检测及姿态位置进行检测，同时基于 Kalman 滤波器对 多传感器信息进行融合，滤除干扰信号，以满足控制算法的要求。不同步行相位采用了 不同的控制策略，实现了闭环控制，并在模糊增益的配合下缩小了机器人在跟进人体运 动过程所产生的误差。哈尔滨工业大学的李洪武设计了一种辅助穿戴者完成负重行走及 增强穿戴者运动能力的外骨骼机器人，并将研究重点放在了作用于人机信息交互的传感 器上，从而研发出了一种优化信息交互传感器[21].哈尔滨工业大学的陈凯旋采用串联弹 性驱动器对水下机械臂进行了关节部位的柔顺化设计。设计过程对比了多种不同类型串 联弹性驱动器，并最终采用交错梁式盘状串联弹性驱动器作为柔性关节元件[22].PID 单 位负反馈的方式被应用于串联弹性驱动器设计，从而完成了力源控制模型传递函数的推 算。设计出的串联弹性驱动器通过仿真模拟实现了串联弹性驱动器优化的验证。

　　北方工业大学的蒋聪等人针对扭转传感器提出了一种应用于串联弹性驱动器的扭 矩传感器设计方案[23].扭矩传感器作为驱动力信号及负载反馈信号的接收器，其弹性参 数信号接受处理的方法对串联弹性驱动器负载反馈延迟及运动反馈精准度有重要影响。 总结扭矩传感器的设计指标以及关键参数的设计方法。

　　南开大学的于宁波和邹武林针对串联弹性驱动器的刚度控制问题，分析串联弹性驱 动器在工作过程的有限频域特性，采用限制有限频域的方法实现串联弹性驱动器刚度的 控制，将有限频域的变化转化为相应矩阵不等式进而得出待求静态反馈控制器的控制条 件[24].串联弹性驱动器（SEA）使整个辅助运动过程更加平稳、准确、可控。从一定程度 上来说，串联弹性驱动器的设计及研究水平是机械肢体柔性处理的重要方法。为此，国 内众多学者也对以串联弹性驱动器为载体的机械肢体柔性处理柔化方法进行了研究及 分析。哈尔滨工业大学以串联弹性驱动器作为外骨骼机器人关节部位的柔化组件，并设计 了自适应稳定控制器以实现对虚拟肢体的关节跟随运动[25],其结构如图 1.6 所示。哈尔 滨工业大学的王勇利针对弹跳机器人设计出了一种直线型的串联弹性驱动器，改驱动器 以伺服电机为驱动力[26],以柔性弹簧作为柔性处理装置，其原理图如图 1.7 所示。

　　华南理工大学出于降低瘫痪患者下肢康复成本的考虑设计了组合刚性骨架和柔性 驱动方式的穿戴式下肢康复外骨骼[27].具体分析了瘫痪患者康复过程中下肢的运动情况， 建立了人体-外骨骼多刚体模型并对模型进行运动仿真分析。 山东科技大学的李金良等设计了一种基于串联弹性驱动和刚性驱动混合的新型下 肢外骨骼机器人踝关节[28].如图 1.8 所示，其特点是在驱动装置及从动装置之间设立了 柔性连接以实现降低缓冲的作用。最后通过仿真实验的方式测定了该关节的频域特性、 不同参数特性下的稳定性以及力跟随特性。

　　江苏大学的陈树洋设计了一种大众化的下肢外骨骼助力机器人，通过 D-H 参数法和 微分变换法，对外骨骼助力机器人进行正、逆运动学理论分析，基于拉格朗日方程对外 骨骼进行逆动力学理论分析，最终通过采用模拟仿真计算的方式对柔性下肢外骨骼助力 机器人进行了刚柔耦合仿真计算[29]. 南京航空航天大学的张子建等为了进一步提高串联弹性驱动器在关节部位的柔顺 特性，设计了一种采用双圆环间衔接曲梁结构的串联弹性驱动器模型，并通过仿真模拟 验证其可行性[30]. 综合以上对国内外机械肢体的分析，本文采用通过表面肌电信号判定老年人运动意 图的控制系统，并在髋关节、膝关节处设计串联弹性驱动器机械结构，不仅能够起到保 护老年人的作用，而且可以对冲击力进行缓冲的作用。

　　1.3 主要研究内容

　　本文主要内容如下：

　　（1）结合 60 岁到 80 岁老年人的运动特征，提出柔性机械肢体的设计方案，并通 过 SolidWorks 对柔性机械肢体进行建模设计，并对柔性关节进行设计和弹簧参数设定， 通过柔性机械肢体的机械结构选择适合的驱动方式。

　　（2）对老年人的人体步态进行分析，使机械肢体与使用者配合保持平衡达到辅助 功能。通过 ADAMS 对柔性机械肢体的虚拟样机进行运动学仿真，并对柔性关节的抗冲 击性进行 ADAMS 仿真分析，验证所建机械模型的可靠性。

　　（3）对老年人下肢特征肌肉群的肌电信号进行采集和分析，对肌电信号进行预处 理、特征值提取，进而确定老年人行走时的意图，最后建立 MATLAB 与 ADAMS 联合 仿真系统进行仿真，实现机械肢体的联合仿真。

　　（4）使用 ANSYS Workbench 软件进行拓扑优化设计，对关键件进行拓扑优化，改 变起始设计的模型形状使其重量减轻，对优化前后零件的结构位移、应力进行对比，使 机械肢体优化之后的零件在设计要求之内，符合设计的要求。

　　第二章 柔性机械肢体的结构设计与分析

　　2.1 柔性机械肢体的机械结构设计

　　2.1.1 老年人运动形式与下肢结构分析

　　2.1.2 柔性机械肢体结构设计要求

　　2.1.3 柔性机械肢体的结构设计

　　2.2 驱动方式选择

　　本章小结

　　第三章 柔性机械肢体 ADAMS 仿真

　　第三章 柔性机械肢体 ADAMS 仿真

　　3.1 老年人人体步态分析

　　3.2 柔性机械肢体 ADAMS 仿真分析

　　3.2.1 ADAMS 仿真过程

　　3.2.2 ADAMS 仿真结果分析

　　3.3 柔性关节 ADAMS 仿真

　　本章小结

　　第四章 机械肢体控制系统设计及联合仿真分析

　　4.3.1 表面肌电信号的产生原理

　　4.3.2 表面肌电信号的特征

　　4.4 表面肌电信号采集

　　4.4.1 肌群分析

　　4.4.2 电极位置的确定

　　4.5 对表面肌电信号的处理

　　4.5.1 表面肌电信号预处理

　　4.5.2 特征参数的提取

　　4.6 联合仿真系统

　　4.6.1 控制方案

　　4.6.2 ADAMS/MATLAB 联合仿真控制系统的建立

　　4.6.3 联合仿真结果分析

　　本章小结
　　第五章 关键零件拓扑优化设计及强度分析

　　5.1 拓扑优化设计

　　5.1.1 拓扑优化设计概述

　　5.1.2 拓扑优化设计

　　5.2 关键零件优化前后位移对比

　　5.3 关键零件优化前后强度校核对比

　　本章小结

结 论

　　本文主要针对老年人运动过程中需要运动辅助装置的需求，基于 60~80 岁老年人的 运动形式和人体结构，设计一种柔性机械肢体装置。论文主要进行了柔性机械肢体机械 结构设计、ADAMS 仿真、柔性机械肢体的控制系统的设计、ADAMS/MATLAB 联合仿 真、以及机械肢体的拓扑优化设计和强度分析等工作，得出以下结论：

　　（1）通过对老年人运动形式和人体结构特点分析，提出柔性机械肢体的总体方案， 使用 SolidWorks 对柔性机械肢体进行建模，并对柔性关节工作原理进行详细阐述，对柔 性关节和重要零件进行详细的结构设计分析。通过柔性机械肢体的结构计算关节电机的 驱动力矩，最后选择 DS5160 舵机作为驱动电机。

　　（2）通过多体动力学软件 ADAMS 对机械肢体进行运动仿真和结果分析，得出机 械肢体关节转角、末端支撑的运动轨迹，验证所建机械结构符合运动要求。并对柔性关 节施加脉冲力信号和瞬时力信号，得出柔性关节的输出部件的受力曲线和速度曲线，验 证了柔性关节的抗冲击性能。

　　（3）对柔性机械肢体的控制系统进行设计，首先选取老年人下肢特征肌群进行信 号采集，并且对肌电信号进行预处理，提取其特征值，利用短时傅里叶变换思想得到特 征值的变化趋势，最终得到了老年人行走的运动意图。然后使用 MATLAB 搭建控制系 统与 ADAMS 进行联合仿真，采用 PD 控制器，结合表面肌电信号对运动意图的识别， 在输入给定信号的情况下进行仿真分析，得到预期的仿真结果，验证了控制系统的可行 性。

　　（4）使用 ANSYS Workbench 软件进行拓扑优化分析，完成机械肢体关键零件的拓 扑优化。通过改变机械肢体零件的结构，达到了减重 30%的目标。并对优化之后的机械 肢体进行强度校核，拓扑优化后的机械肢体各个零件均符合强度要求，验证设计的可靠 性。

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　　[53] 马国庆。 移动服务机器人机械臂结构设计及其优化研究[D]. 哈尔滨工业大学， 2014.

致 谢

　　时光匆匆而过，回想起两年前刚进入校园的情景，如今我还历历在目，仿佛还在昨 天。从那时起我的研究生生活也正式开始了，我非常荣幸能在导师选择的时候，拜入王 广欣老师门下，他的和蔼可亲与学术水平给我留下了深刻的印象。在这两年中，我结识 了许多同学、朋友以及老师，他们都给予了我很大的帮助。

　　在王广欣老师的指导与帮助下，我完成了此次论文，两年研究生生活中，王老师在 学术上的认真、专研、严谨负责的态度，给我留下深刻的印象。王老师十分耐心地对我 在学习上进行指导，让我遇到问题要全面思考，使我受益匪浅。在生活中，老师积极乐 观向上的态度和他对家庭的负责，是我人生道路中的宝贵财富。在撰写毕业论文期间， 老师经常给予我建议以及指导，不管何时我向老师讨教，老师都会细心的给我进行解答， 在这里我想对老师表示感谢，遇到您是我人生的一大幸事。

　　此外，我还要感谢同教研室的同学，师兄师弟们，寝室的室友以及我的朋友们，我 很庆幸身边有你们的存在，让我在两年的研究生生活中并不孤单，我们共同学习，共同 进步，共同成长，是你们在枯燥乏累之时给予我快乐，谢谢你们。

　　我还要感谢我的父母，感谢你们 20 多年的辛勤付出以及谆谆教诲，你们的辛苦我 都看在眼里记在心里，没有你们的支持与鼓励，我不会有今日的闪光。我如同一只小鸟， 你们任我飞翔，无论在高处或在低处飞翔，你们都会在我的背后做我坚强后盾，让我有 所依靠。最后感谢各位专家、教授在百忙之中抽出时间对我的论文进行评阅，谢谢你们给予 的建议以及启迪。

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