并联柔索驱动上肢康复机器人关键技术研究

Aiming at how to solve the technical problems of the recent upper limb rehabilitation robot research on aspects of configuration design, human-machine compatibility, lightweight/ gravity compensation and multi-model rehabilitation, a parallel wire driven upper limb rehabilitation robot is presented in this project, featuring modular design, reconfiguration and multi-model. By controlling the pose and force of the forearm, the robot can realize comprehensive task-based rehabilitations of the bilateral shoulders and elbows, including passive rehabilitation, assistive rehabilitation and initiative rehabilitation. The robot can enhance the telepresence and helps to make the rehabilitation more efficient and more comprehensive. The project is conducted by means of theoretical analysis and experimental research. Give priority to make breakthroughs in the configuration design and optimization of the robot, the force/position control strategies of the wire driven unit and the man-machine system, the man-machine coordinated control strategy. The research achievements will lay the key technical foundation on the clinical application of the parallel wire driven upper limb rehabilitation robot. This project has significant theory and application value.

本项目针对如何解决现有上肢康复机器人在构型设计、人-机协调性、减重/重力补偿、多模式康复训练等方面的技术问题开展研究工作，主要目标是研究一种模块化、可重构、多模式的并联柔索驱动上肢康复机器人。机器人通过对前臂进行位姿控制和负载力控制，实现左右上肢肩肘关节的全面训练，可协助不同康复阶段的患者开展以任务为导向的被动、助力和主动模式的康复训练，增强康复训练的临场感，为上肢残疾患者提供一种更加有效全面的康复方法。通过理论分析和实验研究，重点解决并联柔索驱动上肢康复机器人构型设计及优化、柔索驱动模块以及人机系统力/位控制策略、人机协同控制策略等方面的理论和技术问题。项目的研究工作将为并联柔索驱动上肢康复机器人的临床应用奠定关键技术基础，具有重要的理论意义与应用价值。

目前，人口老龄化问题及残疾人问题在我国甚至世界范围内都十分突出，患有上肢运动功能障碍的人数逐年递增，本项目针对现有上肢康复训练机器人普遍存在的问题，提出了一种柔索驱动上肢康复机器人，它能够根据患者上肢所处的不同康复阶段提供主动模式、被动模式及助力模式三种康复训练模式。.首先，通过人体机理组成了解上肢各关节运动形式与范围，确定上肢康复训练动作，包括肩关节的屈/伸、展/收以及内/外旋，肘关节的屈/伸运动等。进一步地，项目提出一种整体成本低、康复效率高、使用维护方便的柔索驱动上肢康复机器人构型，其组成采用模块化设计，易于结构重组，可实现一机多用。.其次，对机器人进行正、逆运动学分析以及工作空间的分析，以此优化机器人构型。同时，规划多条针对肩关节训练、肘关节训练以及多关节联动训练的机器人运动轨迹。.第三，建立了柔索驱动单元的动力学模型，分析不确定因素对其造成的影响，以此设计力/位伺服控制器，并利用Multibody进行了动力学建模仿真。.第四，设计了基于ARM的伺服驱动控制系统，根据所采用直流力矩电机的工作特点，完成了对直流力矩电机驱动器的电路设计。.最后，研制了柔索驱动上肢康复训练机器人的样机，利用所设计的人-机协同控制策略完成力伺服控制与位置伺服控制实验，验证康复训练的可行性与有效性，可以辅助上肢运动功能障碍患者开展相应的康复训练。