线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人优化及协调控制研究

基本信息
批准号:61803265
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:21.00
负责人:孟巧玲
学科分类:
依托单位:上海理工大学
批准年份:2018
结题年份:2021
起止时间:2019-01-01 - 2021-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:李素姣,王多琎,张东衡,曹武警,张慧,陈忠哲
关键词:
智能控制柔性外骨骼康复机器人人机协同机器人动力学
结项摘要

There are some urgent requirements for hand rehabilitation that a robot can implement both functions of training and assist for patients and the robot can be flexible, lightweight, wearable, portable, easy to process, low cost, safe and reliable. This project will propose a novel cable-driven compliant exoskeleton robot for hand rehabilitation that will be designed with flexure hinge as hand joint and cable driven mechanism as hand muscle and tendon by combined the characteristics of hand structure and motion. The relationship between the driving power and the deformation of flexure hinges, the force of friction, and the deflection of the cable. The instantaneous static model and real-time dynamic model during the finger movement will be deduced based on the aforementioned relationship. The dynamic model will be solved by Lie groups and Lie algebras. A dynamical optimal design method for this proposed compliant exoskeleton mechanism will be proposed according to the dynamic model. Meanwhile, a novel self-adaption coordinated control system with man-machine coupling will be deeply researched based on RNN. This control system can meet the different requirements from different patients by means of self-learning from a reference model. Therefore, this kind of rehabilitation robot can promote the patients' enthusiasm for active rehabilitation training, be safe and provide both functions of active and passive motions. In addition, the control theory and its application method will be described clearly in order to boost development of compliant exoskeleton robotic in China. It also has important scientific and academic value on the research of the common problems such as control strategies and man-machine coordination problems of the man-machine hybrid systems.

在手功能康复中,急切需要训练与辅助功能一体化、手体柔性轻巧、可穿戴便携,且易加工、低成本、安全可靠的手功能康复机器人。本项目将结合人手结构和关节运动特点,利用柔性铰链仿生手指关节,线传动仿生手指肌肉、肌腱运动,形成一种新型线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人系统;并通过分析柔性外骨骼运动状态、线槽摩擦力及线变形对末端驱动力的影响,建立手指运动状态下人机耦合瞬时静力学与实时动力学模型,研究利用李群李代数理论简化动力学模型并给出动力学方程高效解法,提出多目标动态优化设计方法;在此基础上建立基于递归神经网络的自适应人机混合协调控制系统,通过参考模型自我学习来满足不同肌力患者的主动运动需求,达到训练与辅助功能统一,满足上述康复需求;阐明人机混合协调控制机制与应用方法。本项目研究成果不仅推动我国柔性外骨骼康复机器人技术进步,并且对人机混合系统的控制策略和人机协同等共性问题的研究具有科学意义和学术价值。

项目摘要

在手功能康复中,急切需要训练与辅助功能一体化、手体柔性轻巧、可穿戴便携,且易加工、低成本、安全可靠手功能康复机器人。本项目结合人手结构和关节运动特点,研究基于最小变形能量原理的变截面圆弧型柔性仿生关节和变刚度柔性仿生关节刚度特性方程及应力特性方程,建立了柔性仿生关节和柔性仿生手指运动状态与驱动力关系,提出了基于刚度和应力特性的变截面圆弧型柔性仿生关节和变刚度柔性仿生关节设计方法;在此基础上,以柔性铰链仿生手指关节,线传动结构模拟手指肌肉、肌腱驱动构建线驱动柔性铰链式手外骨骼仿生结构和变刚度柔性仿生外骨骼手结构,并研究了人手-柔性外骨骼手指人机耦合模型;此外,进一步还研究了上肢-外骨骼人机耦合模型,提出重力平衡式上肢外骨骼构型,并提出了上肢外骨骼人机耦合动力学参数辨识方法。其次,研究了集成多种运动信号与人意图信息融合的柔性外骨骼手功能康复机器人协同控制策略,提出基于有限状态机的柔性外骨骼手功能康复机器人协同控制方法、基于任务的线驱动柔性外骨骼手控制方法,及基于主被动康复目标的柔性外骨骼手功能康复机器人控制方法。阐明了人机混合协调控制机制与应用方法。最后,根据研究的理论参数,研制了四种新型线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人原理样机和一种重力平衡式上肢外骨骼和自适应抓握柔性假手样机,并建立了相应的实验平台,对结构与控制方法进行功能实验与临床功能实验验证。此外,针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动模块用于柔性外骨骼外骨骼手、腕外骨骼及肘外骨骼,为外骨骼手功能康复机器人轻质便携的研究提出新的解决方案及设计基础。本项目研究成果不仅推动我国柔性外骨骼康复机器人技术进步,并且对人机混合系统的控制策略和人机协同等共性问题的研究具有科学意义和学术价值。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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