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。     

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。     

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。     

基于振荡器的助行外骨骼跟随助力控制研究

针对外骨骼机器人在辅助人体步行过程中存在的人机交互不协调问题,对人体运动意图识别方法以及外骨骼关节助力矩柔顺性控制进行了研究。通过分析人体正常步行过程中步态特征,提出了基于振荡器相角的运动意图识别方法;分别利用仿真计算和实验平台试验,对基于振荡器相角的外骨骼步行跟随助力控制原理及性能进行了验证,同时在实验平台验证了解决初始零位自动补偿和静止状态防抖的相应算法;进行了5名实验对象参与的助行外骨骼样机10 m步行试验。研究结果表明:穿戴助行外骨骼步行相比自由步行,平均步行速度提高了20.16%,且实验对象反馈外骨骼助力无突然的跳变或抖动;基于相角振荡器的助行外骨骼跟随助力控制,不但能准确适应人体行走步幅步速,而且能有效提供柔顺的髋关节助力矩,实现顺畅的自然步行。     

一种多功能下肢外骨骼机器人的设计与仿真分析

针对老年人以及下肢运动障碍患者的康复训练和运动代步的需求,设计了一种多功能下肢外骨骼机器人,利用辅助起立机构和腿部外骨骼实现对使用者下肢的康复训练。分别了建立外骨骼机器人单腿支撑阶段和双腿支撑阶段5杆模型,采用拉格朗日方法推导出动力学模型,计算各关节所需的理论力矩;建立虚拟样机模型进行动力学仿真,仿真数据与理论数据进行比较,验证了理论推导的准确性和外骨骼机器人设计的合理性,为后续电机选型提供了依据。     

面向静态稳定的可变形助行外骨骼机器人运动规划

助行外骨骼机器人能够辅助下肢运动障碍人群站立行走,但相较于电动轮椅在移动距离与移动速度上存在不足。因此设计了一款可变形助行外骨骼机器人,具有助行外骨骼与电动轮椅两种相互独立可转换的形态。针对可变形助行外骨骼机器人变形与行走两种运动过程,研究面向系统静态稳定的运动规划。描述了可变形助行外骨骼机器人的变形原理;提出了基于系统重心投影点位置的运动规划方法,分析了外骨骼机器人在变形与行走过程的静态稳定性;完成了健康受试者穿戴外骨骼的变形与行走运动实验,实验中系统的稳定裕度分别大于54 mm和20 mm。实验结果表明,利用面向静态稳定的运动规划方法,可变形助行外骨骼机器人能够实现稳定可靠的变形切换与连续行走。     

减重步行康复训练器人机工程设计

为增强减重步行康复训练器在使用过程中的舒适度要求,应用JACK软件创建了我国5百分位成年女性和95百分位成年男性人体模型,通过对患者与训练器的交互行为过程分析,分别对减重步行康复训练器动态悬吊装置的舒适性、外骨骼装置的匹配度、支撑扶手的可达域、虚拟显示装置的可视域进行人机工效评估,讨论了不同的悬吊方式、适应不同百分位数的外骨骼尺寸、不同扶手和显示装置的高度对患者的影响,最后利用JACK软件的人机工效评估工具对改进后的训练器模型在使用过程中的舒适性进行评估,试验结果验证了该方法的有效性。     

外骨骼式步态康复训练机器人构型研究

设计了一种面向偏瘫患者的外骨骼式步态康复训练机器人机构。该机构包括腋下支撑机构、患肢侧外骨骼机构以及健肢侧机构。左腋下支撑机构与右腋下支撑机构结构相同,腋下支撑部可以在水平方向和垂直方向进行调整。患肢侧外骨骼机构可驱动患者患肢髋关节、膝关节和踝关节在矢状面内运动,其大腿和小腿部分采用了两根连杆,增加了强度,提高了安全性。健肢侧机构包括三自由度外骨骼式健肢关节运动参数检测装置和具有平面四杆结构的原地步行机构。所设计的康复训练机器人能够使患者患肢发挥残存的运动能力,并且当运动能力不足时,可使患肢根据健肢的运动参数进行康复训练。     

面向下肢助力外骨骼的脚底测力系统研究

要实现下肢助力外骨骼机械腿对穿戴者的运动跟随及有效助力,通过检测穿戴者脚底力变化信息进行运动意图识别是非常关键的环节。针对下肢助力外骨骼机器人的控制需求,提出了一种鞋垫式脚底测力系统。进行了脚底测力系统本体设计及传感器信号调理电路的设计,并进行了脚底测力系统的实验研究。设计出的脚底测力系统应用于下肢助力外骨骼机械腿控制中,实验结果表明,脚底测力系统检测出的足底压力变化信息能很好的实现外骨骼机械腿的控制。     

基于步态的下肢康复用外骨骼机器人运动分析

穿戴式下肢助行外骨骼机器人是一种能够帮助行走不便的老人和具有行走功能障碍的患者进行辅助行走的仿人服务机器人,其康复训练设备已提升为国家战略性研究项目,越来越得到重视。通过对人体下肢运动机理以及步态的研究,并基于动力学仿真软件Adams对外骨骼机器人的受力和步态进行仿真分析,验证步态的合理性,同时对以后行走的合理性提供依据以及为进一步设计出一种新型穿戴式下肢助行外骨骼机器人样机提供参考。     

基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程度影响步行稳定阈度。通过分析穿戴者拄拐步态所形成的多边形支撑面,利用零力矩点(ZMP)理论计算相应的压力中心位置,从而得到四足步态的稳定阈度表达式;并在此基础上提出动态调整步长的方法,得到拐杖支撑点与步长的拟合曲面,对步长进行实时、适当调整;最后通过外骨骼机器人的运动学模型,规划相应的步态轨迹。通过在课题组自主研发的外骨骼机器人样机上进行大量对比实验,证明了在每个步态周期中,针对不同的拐杖支撑位置,提出的方法可以有效增加系统步态的稳定阈度,降低拐杖支撑点的随机性对系统稳定性的影响。     

基于计算力矩的助行腿机器人神经网络补偿控制

在建立“机器主动”训练模式时助行腿机器人在跑步机上的步行动力学模型的基础上,设计了基于计算力矩加PD反馈的神经网络控制系统,并采用Lyapunov方法分析了控制系统的稳定性和收敛性。通过虚拟样机协同仿真平台进行了控制系统的仿真实验和样机系统测试验证,结果表明,该控制方法有效地消除了系统建模误差影响,提高了助行腿机器人轨迹跟踪能力。      

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.     

液压驱动下肢外骨骼系统设计与控制研究

研究基于液压驱动的下肢外骨骼机器人,旨在实现人体下肢的运动康复。设计结构紧凑型液压驱动下肢外骨骼整体机构。建立了下肢外骨骼多连杆机构模型,基于拉格朗日法对模型进行动力学分析。针对下肢外骨骼的快速随动控制提出了一种滑模控制器,并运用MATLAB进行了控制仿真模拟,仿真结果表明,外骨骼采用该控制算法具备良好的跟踪效果。搭建了外骨骼系统软硬件平台,通过预设步态跟踪控制实验,验证了机构的合理性与控制算法的有效性。     

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。     

一种结合FES的足下垂康复助力机构设计

针对足下垂患者的康复训练,提出了一种将功能性电刺激(FES)与踝关节助力机构结合的方法。通过分析正常人体步态曲线,对力传感器检测步态的方法进行了研究,并搭建了下肢步态检测系统; 对功能性电刺激技术进行了研究,设计了功能性电刺激单元,完成了该单元的硬件设计; 通过分析足下垂患者的步态特点,提出了踝关节助力机构所需要完成的功能性目标,并完成了助力机构的研制; 根据已经搭建的平台,对传统的PID控制方法进行了研究,设计了下肢步态检测模块、功能性电刺激单元和踝关节助力机构的控制系统,完成了控制系统搭建。     

Pneumatic interactive gait rehabilitation orthosis: design and preliminary testing

Motor rehabilitation techniques based on passive movement of the lower limbs have been developed over the past 15 years. Gait training automation is the latest innovation in these techniques. This paper describes the design and development of a pneumatic interactive gait rehabilitation orthosis (PIGRO), as well as the first experimental results obtained with healthy subjects. PIGRO consists of a modular and size-adaptable exoskeleton, pneumatic actuation systems for the six actuated degrees of freedom (DoF), and a control unit. The foot orthosis and ankle actuation can be removed and/or replaced with orthopaedic shoes so as to permit gait rehabilitation while advancing between parallel bars with ground contact and partial body weight support (i.e. not walking in place). Control logic provides closed-loop position control independently on each joint, with position feedback for each joint in real time. Imposed curves are physiological joint angles: it is also possible to choose between activating one or both legs and to modify curves to obtain different gait patterns if required. The paper concludes with a presentation of experimental results for the device's performance.     

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。