一种下肢外骨骼助行康复机器人及康复评价方法

针对下肢瘫痪患者的康复训练需求,设计了一种下肢外骨骼助行康复机器人。描述了外骨骼机器人的机械结构。设计了基于关节角位移的闭环控制系统,将VICON运动捕捉系统采集的正常人体下肢运动关节角作为参考输入信息,控制受试者穿戴外骨骼进行行走、上下台阶动作。完成系统调试后,采用VICON运动捕捉系统捕捉受试者在该控制系统下的步态,并与正常人体步态作对比,验证了控制算法的正确性。定义了下肢康复评价标准RMP,使用设计的外骨骼康复机器人进行患者跟踪康复训练实验,验证了助行康复机器人的有效性。     

外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究

针对上肢轻度瘫痪患者自主进行康复理疗训练的问题,在深入了解传统康复训练的弊端和康复机器人所应具备性能的基础上,提出了一种可穿戴式的外骨骼上肢康复机器人设计方案。首先,从仿生学角度出发,对该康复机器人的整体机械结构进行了建模,并设计了3处长度调节固定机构;然后,对机器人各关节驱动力矩进行了理论分析与计算,通过模型动作编写了step函数,将函数与三维模型图导入Adams进行了动力学仿真;得到了各关节的驱动力矩曲线图,再将其与理论计算结果作了对比分析;最后,对肩关节支撑板和大臂支撑板进行了强度分析。研究结果表明:该外骨骼上肢康复机器人结构设计方案具有较高可行性,能帮助患者实现康复训练。     

基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法

针对多关节上肢外骨骼重复性康复训练非线性求解困难问题,提出了一种闭环PD迭代学习控制方法。基于人体工学确定了六自由度上肢外骨骼康复机械臂的参数、自由度配置与关节运动范围。以人机交互力为耦合方式,建立了基于牛顿-欧拉法的人机耦合模型,完成了人机耦合动力学模拟分析。基于迭代学习控制理论提出外骨骼康复机械臂的闭环PD迭代学习控制方法,通过建模仿真分析了肩关节/肘关节迭代学习控制的轨迹误差、人机交互力和驱动力矩。第三次迭代后的轨迹误差小于0.05 rad,PD迭代学习控制器的输出对系统控制进行了有效的补偿,提高了系统状态的稳定性。研制了六自由度上肢外骨骼康复机械臂样机,开展试验测试。试验结果表明,随着控制试验在迭代域上的运行,系统的输出向着期望的系统状态转化,所提出的迭代学习控制算法可以提高上肢外骨骼康复训练重复性运动的控制精度,进而提高人机交互性能。     

下肢康复训练机器人的设计开发

针对当前下肢运动障碍患者众多,而国内传统康复训练设备机械结构复杂、穿戴适应性差、步态训练人机运动精度低和协调性弱等问题,在深入分析了现有康复设备存在不足的基础上,设计开发了下肢康复训练机器人。该机器人的外骨骼机械腿采用曲柄滑块方式驱动关节运动,可自由调节机械腿长度与两腿宽度,再搭配跑步机与减重机构共同组成了机器人的机械部分。同时,该机器人集成了外骨骼腿和跑步机的控制系统,并应用提出的外骨骼腿的位置控制以及与跑步机速度的协同控制方法。最后,在实验室搭建了所设计的下肢康复训练机器人系统,并进行了人体带载实验。结果表明,该康复训练机器人对不同尺寸人体具有很强的穿戴适应性,同时具有精确的轨迹跟踪能力,以及良好的协调运动控制稳定性。     

康复外骨骼机器人的研究现状及发展趋势探讨

康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置,穿戴于患者肢体外侧,辅助患者进行日常活动和康复训练。近年来,人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展,吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系统进行进一步的研究。现阐述国内外不同控制方式的外骨骼机器人的研究现状,并对康复外骨骼机器人的发展趋势进行分析和总结。     

5-DOF上肢康复机械臂交互式康复训练控制策略

设计一种5-DOF穿戴式偏瘫上肢康复机械臂系统,提出被动和主动两阶段的交互式康复训练控制策略。在被动训练中,根据偏瘫患者上肢单侧受损的特点,提取偏瘫患者的健侧上肢4块肌肉的表面肌电信号(Surface electromyogram, sEMG) 作为康复机械臂的控制信号,利用AR参数模型和BP神经网络来理解患者的运动意图,驱动机械臂辅助患侧上肢实现特定的康复训练动作。在主动训练中,通过实时获取各关节力矩信号来判断人体上肢的运动所产生的作用力方向与大小,并利用比例控制器和运动学雅可比逆矩阵控制康复臂末端速度、驱动各关节运动。试验结果证明了提出方法的正确性和有效性。     

两肢通用型上肢康复机器人系统设计与研究

随脑卒中等上肢运动功能障碍患者逐渐增多，上肢康复机器人的应用越来越广泛。针对现有上肢康复机器人存在质量较大、结构不紧凑、人机融合性差、移动不便以及仅适用于单侧肢体康复等问题，设计了一种满足左右两肢康复的通用型外骨骼上肢康复机器人。首先对上肢康复机器人整体结构采用SOLIDWORKS进行建模；其次围绕上肢康复机器人控制系统，阐述了机器人基于CAN总线的软硬件系统开发；最后，为验证设计的准确性，使用ADAMS进行了运动学和动力学仿真，加工出实物样机，进行多种模式的康复训练实验。实验结果表明：所设计上肢康复机器人可满足患者康复训练需求。     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

外骨骼机器人人机耦合控制系统研究

外骨骼机器人是机器人与穿戴者相耦合的机电一体化系统,为实现外骨骼机器人的稳定运动控制,研究了外骨骼机器人人机耦合作用情况。以机器人单个关节为研究对象,建立了关节的人机耦合双闭环控制系统,进行了外骨骼机器人的位置控制实验。实验结果表明,这种人机耦合控制系统可以实现外骨骼机器人的稳定控制。     

基于插值时间相同的4-1-4样条插值的机器人轨迹规划

设计一种新型的5-DOF上肢外骨骼康复机器人,首先分析了该机器人的机械结构,基于D-H参数法建立了该机器人的D-H坐标,根据其坐标求出了其正,逆运动学方程。为了使病患的康复训练具有舒适性和平稳性,提出了一种基于相同时间插值点的用四次多项式过渡的线性插值函数,用来规划上肢外骨骼康复机器人的轨迹。最后进行了单个和多个关节的轨迹规划,并通过求出的正运动学方程和插值函数作出末端位移、速度和加速度的图像,并在Adams中对用1:1模型建立的上肢外骨骼康复机器人进行实体仿真,来验证此方法的正确性和可行性。通过对单关节和多关节轨迹规划参数的分析,然后将其结果与Adams中的仿真数据进行对比,证明了该方法的可行性和稳定性,可以被用在康复机器人的轨迹规划中。     

ADDITIONAL DESIGN FEATURES OF A MASTER–SLAVE CONTROL SYSTEM WITH FORCE SENSING AND ENERGY RECYCLING FOR UPPER LIMB REHABILITATION ROBOTS

Traditional upper-limb rehabilitation robots usually realize force feedback with force sensors or impedance controllers. Otherwise, assistant or resistant force required in different training modes is given by the robot, which does not motivate the initiative of patients sufficiently. This article introduces a self-controlled upper-limb rehabilitation robot to implement force sensing without a force sensor or an impedance controller. The system supports bimanual exercises in different training modes with one limb providing a proper force for the contralateral limb. The above characteristics and the capability of master–slave motion tracking with a kind of energy recycling were verified with preliminary experiments.     

基于Unity3D与Kinect的康复训练机器人情景交互系统

近年来,康复机器人技术的研究已成为康复医学工程与机器人领域跨学科的研究热点。为提高康复训练机器人的交互能力,将虚拟现实技术、机器人技术相结合,研究基于虚拟场景交互的下肢康复训练机器人系统,使用Kinect传感器采集人体的骨骼信息,并运用Unity3D游戏引擎和3D Studio Max软件开发了用于情景交互的虚拟场景,设计了患者与虚拟人物步态同步控制算法,实现了康复训练过程中的同步交互。实验结果表明,同步步态控制算法有效,人机交互良好,可帮助并激励中风患者实现主动的康复训练。     

手指康复外骨骼机器人的结构优化设计

为满足手指功能损伤患者康复的需要,设计了一种基于平面连杆机构的手指康复外骨骼机器人。通过分析仿生手指运动的自由度,建立了机器人运动学模型;以主要机械构件和手指关节转动角度为空间向量元素,求解了机器人的工作空间,在此基础上,得到各机械构件的最佳尺寸,从而完成对机械构件的结构优化设计。仿真实验表明,该机器人能带动手指在一定角度范围进行弯曲拉伸运动,可以满足手指损伤患者的康复训练需求。     

步行康复机器人轨迹控制方法研究

为了满足神经受损患者步行康复训练需要,设计了以外骨骼助行腿为核心的步行康复机器人,其重要的要求是保证机器人的运动轨迹符合患者康复训练要求。为使机器人能模拟步态为患者提供康复训练,在合理的步态规划后对轨迹的控制方法进行了研究,在控制系统软、硬件平台上完成了步行康复机器人助行腿的两种轨迹控制方式(位置控制和速度控制)。通过实验验证了控制方式的可行性,满足了患者步态训练需要。同时实验结果表明,速度控制方式比位置控制方式更加适合步行康复机器人。     

软质肘关节外骨骼的肌力矩估计与神经网络补偿协调控制

为辅助偏瘫患者进行多模式肘关节康复训练,研制了一种软质肘关节康复外骨骼机器人,并提出了一种基于人体肌力矩估计与自适应神经网络补偿的协调控制策略。利用表面肌电信号来识别人体的运动意图并调整康复训练轨迹,采用Lyapunov方法证明了控制算法的闭环控制稳定性。搭建了实时控制实验平台,并开展了基于运动意图的轨迹跟踪实验与自由主动训练实验。实验结果表明,所提控制策略能保证被动训练过程的轨迹跟踪精度,并且可以根据患者的运动意图调整主动训练过程的运动轨迹,实现不同强度的主动康复训练。     

基于屏障 Lyapunov 函数的上肢康复机器人 自适应主动交互训练控制

针对上肢运动功能障碍患者进行辅助康复训练,搭建了一套上肢康复外骨骼机器人系统,并提出一种基于屏障Lyapunov函数的增广神经网络自适应导纳控制策略。首先,介绍了上肢康复外骨骼的机械机构及其控制系统。然后,推演了控制器的设计过程并进行了Lyapunov稳定性证明。最后,分别进行了不同控制内环的轨迹跟踪被动训练实验和不同导纳参数下基于人机交互力的主动交互训练实验,同时分析比对了主动训练时的人机交互力与轨迹偏差的变化关系。被动训练实验结果证明了增广神经网络对人机模型动力学的逼近效果,其轨迹跟踪峰值误差为模糊PID控制器的53%。主动交互训练实验证明了通过调整导纳参数可实现在相同训练任务下不同强度的康复训练以匹配不同康复阶段下的患者。     

步行康复训练机器人协调控制的研究

为了实现步行康复训练机器人的协调控制,对外骨骼助行腿与跑步机的协调控制以及减重支撑系统与外骨骼助行腿的协调控制,提出了协调控制方法。最后用假人代替真实患者通过实验验证了外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统之间的协调控制效果。实验结果表明,步行康复训练机器人能够很好的对假人进行减重步行康复训练,外骨骼助行腿、跑步机和减重支撑系统很好地实现了协调控制,同时为进一步对真实患者进行实验研究奠定了很好的基础。     

Review of human–robot coordination control for rehabilitation based on motor function evaluation

As a wearable and intelligent system, a lower limb exoskeleton rehabilitation robot can provide auxiliary rehabilitation training for patients with lower limb walking impairment/loss and address the existing problem of insufficient medical resources. One of the main elements of such a human–robot coupling system is a control system to ensure human–robot coordination. This review aims to summarise the development of human–robot coordination control and the associated research achievements and provide insight into the research challenges in promoting innovative design in such control systems. The patients’ functional disorders and clinical rehabilitation needs regarding lower limbs are analysed in detail, forming the basis for the human–robot coordination of lower limb rehabilitation robots. Then, human–robot coordination is discussed in terms of three aspects: modelling, perception and control. Based on the reviewed research, the demand for robotic rehabilitation, modelling for human–robot coupling systems with new structures and assessment methods with different etiologies based on multi-mode sensors are discussed in detail, suggesting development directions of human–robot coordination and providing a reference for relevant research.     

基于闭环矢量法的骨盆位姿机构运动学分析

助行训练机器人是一种帮助偏瘫、截瘫患者进行行走训练的康复设备,其作用是通过对人体骨盆中心和腿部的控制实现行走功能,进而达到锻炼肌肉和康复行走功能的目的。该文提出了四自由度骨盆位姿控制机构,运用闭环矢量法建立了位姿控制机构的运动学模型,利用Matlab／Simulink完成了运动学仿真分析,得到了该机构的加速度、速度和位姿变化曲线,验证了该骨盆位姿机构方案的可行性以及运动学模型的正确性。该研究为助行训练机器人的控制系统设计提供了依据。