可穿戴便携式康复外骨骼机器人的开发

近年来,康复机器人辅助中风病人的康复治疗吸引了越来越多的关注。相对于传统的由康复师进行的中风治疗, 康复机器人进行的治疗更为精确,且不受康复师主观因素的影响,能够显著提高康复治疗的效果。本文介绍了一个拥有 5 自由度上肢与 4 自由度下肢的可穿戴便携式康复外骨骼机器人。机器人的所有自由度都由患者的肌电信号驱动,帮助患 者进行失能肢体的康复训练。该机器人可穿戴和便携的特性为患者行走功能的康复提供了新的手段。康复过程中,患者 的所有康复运动数据(包括患者的表面肌电信号数据和每个关节的运动数据)都可以被采集,便于在线分析和离线记录。     

下肢外骨骼机械结构的分析与设计

为了实现人的智能与机械的力量之间的结合,使人具备机械的力量、速度和耐力,正在设计用于实现负荷行走功能的下肢外骨骼.机械结构的设计是下肢外骨骼系统的关键技术之一.首先基于人体行走的生物学特征,阐述了下肢外骨骼机械结构的设计方法.然后利用零力矩点(ZMP)稳定性理论,分析了外骨骼的动态稳定性的特点.最后在ADAMS中建立了外骨骼的虚拟样机模型,对外骨骼行走模型进行了仿真,通过对比仿真结果,验证了模型ZMP处于稳定状态,从而说明利用ADAMS虚拟样机仿真的可行性.     

骨骼服虚拟力控制方法研究

针对骨骼服运动中控制指令信息难以获取这一问题,提出了一种利用安装在操作者和骨骼服之间的多 维力／力矩传感器来估计骨骼服参考轨迹的方法．为了控制骨骼服跟随操作者的运动,并保持人机之间的作用力最 小,以达到辅助承重的目的,提出了一种虚拟力控制策略．该方法首先利用力／力矩传感器的测量信息构建骨骼服在 关节空间的关节控制力矩,然后产生控制骨骼服在操作空间运动的虚拟力,从而控制骨骼服在操作空间的轨迹跟随 操作者的运动．证明了其稳定性,并给出了仿真结果．仿真结果表明,所设计的控制器能实现骨骼服对人体运动的 跟踪,并有效降低人机之间的作用力．     

基于模糊补偿的康复机器人的自适应滑模控制研究

针对下肢外骨骼机器人不确定模型及摩擦因素的轨迹运动控制问题,提出了一种基于模糊补偿的自适应滑模控制(FCASMC)方法。首先利用滑模控制思想设计非线性滑模面,设计滑模控制器实现系统的稳定性;接着采用模糊控制方法对其机器人中关节运动存在的未知摩擦项进行模糊补偿与逼近,减少未知摩擦项和外扰动等因素下对系统带来的稳定性影响;最后还采用了鲁棒项来消除补偿逼近误差所带来的影响,也可减少滑模方法所带来的抖振问题,从而使整个系统的稳定性进一步提高。最后,基于Lyapunov定理对所设计的控制器进行稳定性证明和仿真。仿真结果表明,设计的控制器可以很好地对不确定摩擦项进行补偿,机器人的关节运动轨迹跟踪能实现全局跟踪,提高了在今后实际工程中的应用研究价值。     

创伤手指康复外骨骼手关节力传感器研究

为使创伤手指康复外骨骼手能够反馈手指的力觉信息,根据应力测量原理设计了外骨骼手基关节二维力传感器.应用ANSYS软件对传感器弹性体进行了有限元分析,针对手指弯曲和内收/外展两个方向研究了传感器的应变原理,设计了传感器信号采集电路,并对传感器进行了静态标定.传感器在手指弯曲方向具有0.325 V/N的灵敏度和1.4%的线性度,在手指内收/外展方向具有0.346 V/N的灵敏度和2.9%的线性度.实验结果表明传感器能够满足康复外骨骼手系统的要求.     

Psychophysical and physiological responses to lifting symmetrical and asymmetrical loads symmetrically and asymmetrically

Eighteen adult males (mean age 22·6 years, weight 78·6kg and height 176·6cm) participated in a study designed to investigate the effects of symmetrical and asymmetrical lifting on the maximum acceptable weight of lift and the resulting physiological cost. Each subject performed sixty different lifting tasks involving two lifting heights, three lifting frequencies and five containers. For each lifting task, the load was lifted either symmetrically (sagittal lifting) or asymmetrically (turning 90^° while continuing to lift). The heart rate and oxygen uptake of the individuals at the maximum acceptable weight of lift were measured. At the end of the experiment, subjects also verbally indicated their preference for symmetrical and asymmetrical lifting. When lifting asymmetrically, subjects accepted approximately 8·5% less weight. There was, however, no difference in the physiological costs when lifting symmetrically or asymmetrically. Lifting asymmetrical loads also resulted in lower maximum acceptable weights. No difference in either oxygen uptake or heart rate was observed when the centre of gravity of the load was offset by 10·16 or 20·32 cm from the mid-sagittal plane in the frontal plane towards the preferred hand. All subjects indicated, verbally, that asymmetrical lifting tasks were physically more difficult to perform.     

基于相位划分的下肢连续运动预测

为了实现针对特定个体的运动特点进行更精确的下肢连续运动预测和用更短的时间开展预测模型训练,采用对每个步态相位都建立预测模型的方法. 在识别出当前的步态相位后,使用当前相位的预测模型进行关节角度的预测. 使用支持向量机（SVM）,对提出的方法进行验证. 实验表明,采用基于相位划分的下肢连续运动预测方法相比于对整个运动状态进行关节角度建模的预测方法,具有更高的预测精度和更短的模型训练时间. 髋、膝、踝关节的预测结果与真实值的相关系数均大于0.99,每次预测的角度与真实值的平均均方根误差均小于2°,训练时间缩短4.0~5.0倍.     

基于PSO-SCE的下肢外骨骼机器人步态多目标优化

针对一些传统下肢外骨骼机器人步态优化算法中的寻优精度低和收敛速度慢等问题,提出一种下肢外骨骼机器人步态优化算法,该算法采用粒子洗牌策略和复合形信息互通技术,保留了粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法与复合形交叉进化(Shuffled Complex Evolution,SCE)算法的优点,通过建立以机器人步态零力矩点(Zero Moment Point,ZMP)稳定裕度和每步驱动能耗为参数的多目标优化函数进行寻优,并在SolidWorks、ADAMS和MATLAB软件中进行联合对比测试,仿真表明:与PSO算法和SCE算法相比,采用PSO-SCE算法得到的机器人步态ZMP稳定裕度增大,驱动能耗平均值分别减小了18.4%和13.5%,机器人能够以较小的能量消耗实现稳定平滑行走。     

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。     

外骨骼助力机器人结构设计及动力学仿真

采用人机合一的下肢外骨骼助力装置,是未来单兵提高携行、机动能力的先进方式;而智能化的助力机械结构设计与合理的驱动选择布置,是确保外骨骼助力机器人可靠工作的关键。本文通过对人体结构与人体行走运动机理的分析,进行外骨骼机械结构的初步设计,并从电控、驱动及结构减重等方面进行考虑,对外骨骼机械结构进行优化设计,并获得三维模型。在此基础之上,进一步就机械结构的运动学仿真,通过对各关节的力矩分析,验证结构设计及驱动布置的合理性。