摘 要

目前，我国肢体残疾的人逐年增加，而现在的康复医疗机构很难完成如此众多的繁重任务，导致很多病人得不到及时的治疗。为了帮助患者进行辅助治疗，减小身体残疾的影响，建立一个可以判断用户意图的人机接口是很有必要的。

本文主要从以下3个方面对基于Hill模型的人机接口进行研究：

1. 针对肌电信号(Electromyography，EMG)信号强度微弱、主要为低频信号以及易受噪声干扰等特点，对肌电信号的产生原理及数学模型进行研究，分析了肌电信号的处理方法，并利用Matlab/Simulink工具箱进行仿真并对实验结果进行验证；
2. 针对难以直接获取肌肉力的信息的问题，对Hill方程和Hill三元素肌肉模型进行研究，给出了肌肉力的计算方法。通过肌肉力计算公式，在Matlab/Simulink工具箱中搭建了Hill三元素肌肉模型，实现对肌肉力的预测；
3. 利用阻抗控制算法，实现对机器人的控制，并在Matlab/Simulink工具箱中进行仿真，通过实验验证了该算法的正确性。

通过以上研究，本次设计成功完成了对肌电信号特征值的提取，对肌肉力的预测以及对康复机器人位置的控制。最后再Matlab/Simulink工具箱中验证了实验结果的正确性。

关键字：Hill模型，肌肉力预测，阻抗控制，肌电信号

Abstract

Nowadays,the physically disabled people has increased year by year in China,and the rehabilitation medical institutions are difficult to accomplish so many heavy tasks,which leading to a lot of patients can’t get timely treatment.In order to carry out rehabilitation treatment and reduce the influence of the physical disability,it is important establish a user interface to determine the user's intention.

This paper mainly studies the human computer interface based on the Hill model from the following 3 aspects:

(1)The principle and mathematical model that study EMG signal designed a processing method of EMG signal and made use of Matlab/Simulink toolbox to verify the experimental results on account of EMG has some weakness such as low frequency signal,faint signals and easy to be disturbed by noise.

(2)In view of the difficulty of obtaining the muscle force directly,we studied the Hill equation and the Hill three element muscle model,then given the calculation method of the muscle force.The Hill muscle model is built in the Matlab/Simulink toolbox to realize the prediction of muscle force by calculating the formula.

(3)Using impedance control algorithm to achieve the control of the robot and simulating in the Matlab/Simulink toolbox and through the experiment to verify the correctness of the algorithm.

Through the above research,the design successfully completed the value of EMG signal feature extraction,the muscle force prediction and control of the rehabilitation robot position.Finally,the experimental results were verified in the Matlab/Simulink toolbox.

Keywords:Hill model,Muscle force prediction,Impedance control,electromyography(EMG)

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1肌肉模型国内外研究现状 2

1.2.2人机接口国内外研究现状 3

1.3论文的研究内容和安排 6

第2章 Hill肌肉模型研究 7

2.1肌电信号采集及分析 7

2.1.1肌电信号的产生机理及数学模型 7

2.1.2肌电信号处理及特征提取 13

2.2 Hill肌肉模型 16

2.2.1 Hill方程 17

2.2.2 Hill三元素模型 17

2.3本章小结 21

第3章 基于Hill模型的人机接口 22

3.1康复机器人阻抗控制策略 22

3.1.1阻抗控制原理 22

3.1.2基于Hill模型的阻抗控制方法研究 24

3.2基于Hill模型的人机接口系统设计 26

3.2.1系统总体需求分析 26

3.2.2系统设计 26

3.3本章小结 28

第4章 总结及展望 29

4.1总结 29

4.2展望 29

参考文献 31

致谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

今天，我国的社会经济取得了巨大的成就，但是我国的残障人士也逐年增加，在第二次全国残疾人抽样调查中，我国共有各式各样的残障人士总数超过了8296万人，截至到2006年4月1日，我国残疾人总量与全国人口总量之比约莫为6.34%^[1]。而全国各种残障人口总数与总残障人口数目的比例如表1.1所示。

表1.1我国各种类型残疾人口占总残疾人口比例^[1](2006年)

从上述数据可以看出，我国的残疾人士的数量过多，而其中肢体残疾人士所占的比例最大，其比例为29.07%，这些残障人士饱受精神和肢体上的折磨。因此，开发一个能够对人体的运动意图进行估计的设备是十分有必要的，能够更大限度的为残障人士减轻痛苦。