基于多级弹簧腿系统的外骨骼下肢康复机器人协动原理研究

Under the trend of population aging in many countries, the effectiveness of muscle strength training equipment has aroused general concern from the society. In this study, corresponding joints dynamic parameter mapping models of human legs and lower limb exoskeleton system for human typical motions were developed. Based on the models, a multi-stage spring leg system using the energy conversion principle was applied on the exoskeleton lower limb rehabilitation robot for providing body movement energy, reducing limb extremity rotational inertia, and extending battery endurance. In terms of control theory, concise sensor system and preset movement trajectories were corresponded for balancing the contradiction of active control and passive control. The control method, which can both assist user movement according to movement intention direction for enhancing the interaction of cerebral cortex and muscles, and ensure user comfortable movement trajectory for enhancing correct muscle memory, was developed for improving the fluency of system action and the effect of rehabilitation training. In terms of feasibility verification, through patient rehabilitation training experiment and parameter iterative debugging in the cooperation hospital, user matching mechanism was developed for making the system suitable to the rehabilitation training of different degree movement disorder patients, and suitable to the movement assistance of healthy men. The movement assistance principle of exoskeleton lower limb rehabilitation robot was optimized.

随着人口老龄化趋势在许多国家不断加快，用于人体肌肉力量增强的康复训练设备已引起了许多国家的高度重视与社会的广泛关注。本研究建立典型动作的人体双腿与下肢外骨骼系统对应关节的动力学参数映射模型，并在此基础上将运用能源转化原理的多级弹簧腿系统应用于外骨骼下肢康复机器人，为肢体运动提供能量，从而降低肢端的转动惯量，延长电池的续航时间。在控制理论方面，结合运用简洁的传感系统与预设的动作轨迹，平衡主动式控制与被动式控制的矛盾，建立既能按照用户运动意图的方向辅助运动，增强大脑皮层与肌肉的交互作用，又能保证用户正确舒适的动作轨迹，增强正确肌肉记忆的控制方法，有助于提高系统动作的流畅度与提升康复训练的效果。在可行性验证方面，通过在合作医院进行患者康复训练实验与参数迭代调试改进，建立用户匹配机制，使系统既适用于不同程度运动障碍患者的康复训练，也适用于健康人负重协动助力，完善优化外骨骼下肢康复机器人的协动理论。

助力式外骨骼可以扩展人体机能，近年来获得了各国的广泛关注。尽管如此，对于减少人体综合代谢的外骨骼并不多见。本研究结合人体步态的分析，提出了多级能量锁原理，根据该原理设计了一种被动式助力下肢外骨骼；该外骨骼可以在支撑相早期储存并锁定人体的重力势能和动能，对下肢起到缓冲作用，并在合适的时机释放这些能量助力，以节省人体行走过程中所耗的能量；完成第一代外骨骼样机后，进行了样机穿戴行走实验和有限元分析，根据实验结果探讨了样机存在的不足，并对结构在强度方面、刚度方面和流畅度方面进行了优化处理；获得了原理可靠、刚度和强度可靠、运行流畅的结构，并进行了能量损耗率与弹簧利用率的实验分析，为相关领域的研究提供了实例产品参考。.并根据综合人体代谢PCI（physical cost index）指数设计了实验来评价该外骨骼，分别进行了综合运动TUG实验、上下坡HUT实验、6分钟步行6MWT实验、以及上台阶SCT实验，共邀请10名测试者进行。结果表明：受试者佩戴外骨骼前后在（TUG）实验和6分钟步行试验（6MWT）上差异不显著。实验结果表明，在上坡步行HUT和上台阶SCT活动中，穿戴弹簧腿后的行走速度变化不明显；心率变化显著；相应地PCI指数则分别下降了10.6%和8.9%。说明测试者在穿戴此种外骨骼后对不同的运动行为具有不同程度的辅助作用，为弹簧腿的效果做出了验证，为相关产品的研究提供了参考。