肢體同動機械手臂系統之設計與研究

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姓名

白鎧綸(Kai-Lung Bai) 查詢紙本館藏

畢業系所

機械工程學系

論文名稱

肢體同動機械手臂系統之設計與研究
(Design and Resarch of EMG-based Upper limb Motion Synchronization Robotic Arm System)

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摘要(中)

本論文主要在設計與實現一套肢體同動機械手臂系統來驗證以肌電訊號控制機械手臂的可行性，並作為穿戴式機械骨骼系統之先期研究。這套系統包含肢體同動機械手臂系統的機械結構設計和驅動電路建構，並以數位訊號處理器(TMS320F2812)先實現肢體同動機械手臂系統的運動控制(扭力控制、速度控制和位置控制)，再結合肌電訊號的訊號處理、特徵值處理和肌力估測方法，得到肌電訊號與手臂肌力間之相關模型進行整合。
最後，本論文以數位訊號處理器(TMS320F2812)整合肌電訊號的訊號處理、肌力估測方法與機械手臂運動控制，數位訊號處理器(TMS320F2812)能先以受測者手臂動作時之二頭肌與三頭肌的肌電訊號估測出其肌力變化，並作為機械手臂的扭力命令操控機械手臂，讓機械手臂可以實現受測者想要完成的動作和指令，達成機械手臂能跟隨受測者手臂動作的目的，也意味著未來應用於穿戴式機械骨骼系統時，機械手臂能幫助病人作其想要的動作，使生活更為便利，並提升其生活品質。

摘要(英)

This thesis aims to develop an EMG-based upper limb motion synchronization robotic arm system which enables an upper limb robotic arm to move synchronously with the tester. This system contains four sections: (a) the design of mechanism; (b) the design of electronic driver circuits; (c) the motion control of robotic arm; (d) the analyses of EMG signals and the estimation of muscle strength which used EMG signals
In this thesis, we combine four sections and realize algorithms with a digital signal processor (TMS320F2812). We use a digital signal processor (TMS320F2812) to measure the EMG signals of biceps and triceps, which imply the human subject’s intention. We utilize a band-pass filter to process the EMG signals and feature extraction methods convert EMG signals to variances (VAR).Then we employ an estimator to estimate the muscle strength of the tester’s forearm. Therefore, the estimated muscle strength can be used as a torque command for robotic arm system. We also use a digital signal processor (TMS320F2812) to realize the torque control of robotic arm system. So the robotic arm can achieve the desired motion of the tester. In the future, this system can be transferred into an exoskeletal robot for human motion support, especially for those physically weak ones.

關鍵字(中)

★ 肌電訊號
★ 機械手臂

關鍵字(英)

★ EMG
★ Robotic Arm

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 III
目錄 IV
圖目錄 VIII
表目錄 XIII
一、緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 1
1-3 文獻回顧 2
1-4 論文架構 3
二、機械結構設計 4
2-1 機械結構設計分析 4
2-2 傳動系統設計 5
2-2-1 致動器選擇 5
2-2-2 減速機選擇 5
2-2-3 連接座設計 7
2-3 肩膀關節機構設計 8
2-4 手肘關節機構設計 9
2-5 手臂臂身機構設計 11
2-6 手臂安全角度設計 12
2-7 機械結構設計之成果 13
三、驅動系統建構 15
3-1 驅動系統架構簡介 15
3-2 硬體架構 16
3-2-1 數位訊號處理器 16
3-2-2 D/A模組電路 16
3-2-3 A/D模組電路 18
3-2-4 編碼器模組電路 18
3-2-5 DIDO模組電路 18
3-2-6 直流馬達驅動器 19
3-2-7 肌電訊號感測器 19
3-2-8 角度訊號感測器 20
3-3 驅動系統建構之成果 21
四、機械手臂之運動控制 22
4-1 運動控制系統架構簡介 22
4-2 控制器設計 23
4-3 程式架構 25
4-4 運動控制實驗結果 27
4-4-1 扭力控制實驗結果 27
4-4-2 前臂速度控制實驗結果 29
4-4-3 上臂速度控制實驗結果 31
4-4-4 前臂位置控制實驗結果 33
4-4-5 上臂位置控制實驗結果 35
4-4-6 運動控制實驗結果討論 37
五、結合肌電訊號之控制 38
5-1 肌電訊號簡介與處理 38
5-2 手臂肌力簡介與實驗 40
5-3 手臂肌力估測方法(一) 42
5-3-1 最小平方法 42
5-3-2 以最小平方法估測手臂肌力 43
5-3-3 最小平方法估測結果討論 49
5-4 手臂肌力估測方法(二) 50
5-4-1 類神經網路 50
5-4-2 以數位訊號處理器實現類神經網路 50
5-5 結合肌電訊號之控制系統架構 52
5-5-1 系統架構 52
5-5-2 程式架構 53
5-6 結合肌電訊號之控制實驗結果 55
5-6-1 結合肌電訊號之控制實驗一 56
5-6-2 結合肌電訊號之控制實驗二 58
5-6-3 結合肌電訊號之控制實驗三 60
5-6-4 結合肌電訊號之控制實驗四 62
5-6-5 結合肌電訊號之控制實驗結果討論 64
六、未來展望 66
參考文獻 67

參考文獻

[1]K.Kiguchi, S.Kariya, K.Watanabe, K.Izumi, and T.Fukuda, “An Exoskeletal Robot for Human Elbow Motion Support—Sensor Fusion, Adaptation, and Control”, IEEE TRANSACTIONS ON SYSTEMS, MAN, AND CYBERNETICS—PART B: CYBERNETICS, VOL.31, NO. 3, JUNE 2001
[2]K.Kiguchi, S.Kariya, T.Tanaka, K.Watanabe, T.Fukuda, “An Interface between an Exoskeletal Elbow Motion Assist Robot and a Human Upper-Arm”, Journal of Robotics and Mechatronics, VOL.14, NO.5, pp.439-452, Oct., 2002.
[3]K.Kiguchi, K.Iwami, K.Watanabe, T.Fukuda, “A Study of an EMG-Based Exoskeletal Robot for Human Shoulder Motion Support”, JSME International Journal, Series C, VOL.44, NO.4, pp.1133-1141, 2001.
[4]K.Kiguchi, K.Iwami, K.Watanabe, T.Fukuda, “An Assist Level Adjustment Method of an Active Shoulder Orthosis”, International Journal of Human-friendly Welfare Robotic Systems, VOL.4, No.2, pp.8-12, June, 2003.
[5]K.Kiguchi, K.Iwami, M.Yasuda, K.Watanabe, T.Fukuda, “An Exoskeletal Robot for Human Shoulder Joint Motion Assist”, IEEE/ASME Trans. on Mechatronics, VOL.8, NO.1, pp.125-135, March, 2003.
[6]K.Kiguchi, K.Iwami, K.Watanabe, T.Fukuda, “Controller Adjustment of an Exoskeleton Robot for Shoulder Motion Assist”, Journal of Robotics and Mechatronics, VOL.16, NO.3, pp.245-255, 2004.
[7]K.Kiguchi, T.Tanaka, T.Fukuda, “Neuro-Fuzzy Control of a Robotic Exoskeleton With EMG Signals”, IEEE TRANSACTIONS ON FUZZY SYSTEMS, VOL. 12, NO. 4, AUGUST 2004
[9]H. Kawamoto, Y. Sankai, “Power assist method based on phase sequence and muscle force condition for HAL”, Advanced Robotics, VOL.19, NO.7, pp.717-734, 2005.
[10]T. Hayashi, H. Kawamoto and Y. Sankai, “Control method of robot suit HAL working as operator's muscle using biological and dynamical information” , IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems[C] , pp.3455-3460,2005
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[12]G.F. Franklin, D.J. Powell, and M.L. Workman, Digital Control of Dynamic Systems, Addison-Wesley, 1990.

指導教授

董必正(Pi-Cheng Tung)

審核日期

2008-7-14

推文