下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展

中国正向深度老龄化社会高速迈进,脑卒中等老年性疾病人群逐年增多,开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练,患者的肌力得以增强,脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练,是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题,结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展,围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望,为相关研究人员提供参考。     

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。     

轻量化自适应柔性踝关节康复机器人设计与评估

针对脑卒中患者步行过程中踝关节背屈力不足而造成足下垂和踝关节跖屈力下降而造成站立末期推进力不足,进而导致步态不稳及容易摔倒等问题,设计一款新型柔性踝关节康复机器人。首先,鉴于刚性踝关节机器人增加了脑卒中患者新陈代谢及心理不适感,本研究采用功能性纺织物与鲍登线传输装置相互作用实现踝关节力辅助,轻质且隐蔽,同时,采用单电机双向驱动方式,减少了驱动模块的质量和体积,研制嵌入鞋套的拉力传感器,轻质且实现了辅助力实时检测。然后,为适用于不同体型的穿戴者,采用分级控制,上层控制包括步态运动意图识别及鲍登线轨迹生成算法,下层控制参照鲍登线轨迹实现踝关节跖屈与背屈辅助,提出了一种基于步态事件的鲍登线轨迹生成算法,实现了控制参数自适应调整,提高了系统鲁棒性。最后,搭建实验测试平台验证了机器人辅助效果,在机器人提供动力辅助时,踝关节站立末期跖屈角度与摆动期背屈角度均提高,站立末期地面推进力增加;相比之下,在机器人不提供动力辅助时,跖屈侧被动拉力在站立末期提供跖屈辅助,提高地面推进力。结果表明该柔性康复机器人具有增加站立末期地面推进力和改善摆动期离地间隙的作用,是一种前景良好的踝关节康复设备。     

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。     

康复外骨骼机器人在肢体康复中的应用进展

康复外骨骼机器人的适用对象主要是存在肢体活动功能障碍的患者,患者可通过外骨骼阶段性、科学性及精准化的训练来完成康复治疗。但目前市面上康复外骨骼机器人种类繁多、形式各异,分类问题是一个难点。根据康复外骨骼机器人在人体辅助位置的不同,对目前国内外具有代表性的康复外骨骼机器人进行了分类汇总;对康复外骨骼机器人的不同驱动方式进行了详细概述,并分析了不同驱动方式的研究现状;在根据康复治疗的所处阶段采取相应训练模式的角度,重点分析了康复外骨骼机器人的针对性训练模式。对目前康复外骨骼的技术重难点进行总结和展望,旨在为后续康复外骨骼机器人的研究提供参考。     

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。     

上肢康复机器人关键技术研究进展

上肢运动功能的丧失或减弱严重降低患者生活质量,机器人助力康复训练技术能有效地促进患者上肢运动功能的恢复.本文对上肢康复机器人现状进行了文献追踪研究,将上肢康复机器人分为外骨骼式和末端牵引式两大类,并围绕各自的结构、驱动形式、人机交互性、控制策略、训练模式、适用关节等多项技术进行总结对比,提出了上肢康复机器人在医、工结合中存在的关键问题和技术方案,并讨论了上肢康复机器人的技术发展趋势,可为相关研究提供方向借鉴.     

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。     

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。     

仿肌腱式线驱柔性手指康复机器人设计与制备

当今社会人口老龄化严重,由疾病、意外伤害等因素引发的手部复健需求日益增加,为此提出一种运用CMF要素的仿肌腱式线驱动手指康复机器人结构。通过对人类肌肉骨骼系统的仿生分析,设计了基于线驱动的柔性手指康复机器人结构模型,采用3D打印模具及硅胶浇筑方式制备了柔性手指康复机器人本体,其具有优异的抗撕裂性、高抗拉强度等优势,且成本低,便于清洗,穿戴舒适度好。     

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。     

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。     

创伤手指康复外骨骼手系统的设计

在分析人手生物学特性的基础上,提出了一种新的外骨骼式机械手,用于创伤手指的术后康复治疗。基于模块化思想设计了外骨骼手机构本体,该外骨骼手可以适应不同人手长度,能够驱动手指进行独立的弯曲和内收/外展康复运动;康复过程要求外骨骼手能够实时反馈手指关节的角度和力信息,同时保证康复力始终垂直作用于指骨以避免损坏关节周围的软组织。对外骨骼手关节单自由度和二自由度构型进行了分析,建立了外骨骼手的运动学模型,给出了外骨骼手的运动学和动力学方程。以ARM微处理器为核心,建立了基于SPI总线的外骨骼手控制系统。最后,进行了外骨骼手的运动学和动力学仿真验证及食指弯曲方向康复实验研究。实验结果表明,创伤手指康复外骨骼手系统康复原理和方法正确可行,实验的重复性误差5%,表明外骨骼手系统能够满足创伤手指康复要求。     

无动力下肢外骨骼机器人研究综述及发展趋势

无动力下肢外骨骼机器人,可运用于医疗康复、运动助力以及负载作业等场景。系统阐述了无动力下肢外骨骼机器人的发展背景及助力形式;对国内外无动力下肢外骨骼机器人的研究历程进行综述,按多关节和单关节进行分类,重点总结了两类机器人的结构、特点、优劣势以及效能评估等;围绕无动力下肢外骨骼机器人的关键技术与未来发展趋势进行了分析与展望。     

面向手功能康复训练的软体机器人设计

为解决现阶段软体机器人与人手贴合较差、自由度不够、驱动力小等问题,设计了一种带有双向弯曲模块和伸长模块、可实现多个自由度独立或耦合运动的软体机器人.利用有限元仿真分析方法建立了软体驱动器模型,融合多种柔性材料,保证驱动器可以提供足够大的驱动力.利用传感器实现了对弯曲特性的跟踪.实验验证表明:该软体机器人可以完成抓握训练...     

An eight-degree-of-freedom upper extremity exoskeleton rehabilitation robot: design,optimization, and validation

Upper extremity exoskeleton rehabilitation robots can be used for the training of patients with upper extremity motor dysfunction. In most cases, the design of such robots focuses on the configuration and the human-machine compatibility. For patients, the use of an exoskeleton rehabilitation robot mainly aims to improve their movement ability, which depends on the range of movement of the upper extremity joints. This paper proposes an eight-degree-of-freedom (DOF) upper extremity exoskeleton rehabilitation robot to improve the movement range of the patient’s upper extremity joints. The structural parameters of the shoulder joint are optimized and analyzed by the kinematic equations of the mechanism and the cyclic iteration algorithm such that the movement range of the patient joint can be maximized. The movement space of the robot is then simulated. Finally, the movement range of the rehabilitation robot joints and the movement space of the rehabilitation robot were measured. Experimental results show that the upper extremity exoskeleton rehabilitation robot can meet the patient’s shoulder, elbow, and wrist movement range, and the overlap with the human upper extremity movement space is 97.1 % and 95.7 % in the coronal and sagittal planes, respectively.

     

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.     

Design and modeling of a novel soft parallel robot driven by endoskeleton pneumatic artificial muscles

Owing to their inherent great flexibility, good compliance, excellent adaptability, and safe interactivity, soft robots have shown great application potential. The advantages of light weight, high efficiency, non-polluting characteristic, and environmental adaptability provide pneumatic soft robots an important position in the field of soft robots. In this paper, a soft robot with 10 soft modules, comprising three uniformly distributed endoskeleton pneumatic artificial muscles, was developed. The robot can achieve flexible motion in 3D space. A novel kinematic modeling method for variable-curvature soft robots based on the minimum energy method was investigated, which can accurately and efficiently analyze forward and inverse kinematics. Experiments show that the robot can be controlled to move to the desired position based on the proposed model. The prototype and modeling method can provide a new perspective for soft robot design, modeling, and control.     

一种新型仿生变胞膝关节外骨骼机器人及其多体运动尺度综合方法研究

针对人体步态周期的摆动相与承载相生物力学特征,创新性的提出一种集变胞仿生膝关节外骨骼机器人与具有“J”型轨迹特征运动副人体等效下肢为一体的人-机并联研究原型,在深入解析其变胞运动承载仿生工作机理的基础上,系统提出一种多体运动尺度综合方法。该方法首先基于多体运动学,系统构建人-机并联运动学模型;其次针对该外骨骼对其穿戴位置滑移与下肢个体差异的有效几何包容,提出一种新型运动学综合性能评价指标——仿生灵巧包容度;再次将多体运动尺度综合问题归结为一类多目标优化问题;最后计及不同人群的步态差异性,采用压缩粒子群算法,深入开展膝关节外骨骼系统多体运动尺度综合数值仿真。通过仿真数据对比与参数敏感性分析,佐证该膝关节外骨骼机器人所具有的变胞仿生运动学综合性能,以及多体运动尺度综合方法的合理性与有效性,为后续研究原型承载有效性的相关研究,提供理论基础。