面向台架式下肢外骨骼康复机器人的人机协同控制研究

Based on the in-depth investigation of research status of lower-limb exoskeleton rehabilitation robots and concentrate on improving the auxiliary effect of rehabilitation training robot，from the aspects of bionic mechanism design，wearable physical interface, CPG model construction, exoskeleton gait adjustment and control method, multiple sensor information fusion, virtual scene interactive system design and so on, the human-machine cooperation of lower-limb exoskeleton rehabilitation robot system will be deeply explored. For the mechanical design, bionic knee joints and two-layer based wearable physical interface with soft inner and rigid outer are designed to improve the alignment accuracy of human lower limb and exoskeleton. For the control, using the electromyographic signal as a bridge, a human-machine integration based on CPG control system was designed to realize the people-centered control strategy. And a variable impedance control system with smooth physical interaction was designed based on the feedback information of muscle strength. Besides, through the interaction with virtual scene to arise the enthusiasm of patients in rehabilitation training and finally realize the human-machine coordinated control with the active participation of patients. The major objectives of the project are to improve the clinical effect of lower limb exoskeleton rehabilitation robots by the bionic mechanism and control system. It is expected to provide a new theoretical method and technical support for the design and development of lower-limb exoskeleton rehabilitation robot system, and to promote the research and development of the relative subjects.

深入分析下肢康复机器人的研究现状，围绕改善机器人辅助康复训练效果，从仿生机构设计、穿戴物理接口、CPG模型构建、外骨骼步态调整和控制方法、多传感信息融合、虚拟情景交互系统设计等方面入手，对台架式下肢外骨骼康复机器人的人机协同控制问题进行深层次的探索。在机构上，设计仿生膝关节和内柔外刚双层结构的可调整穿戴模块，提高人机模型的对准精度；在控制上，以肌电信号为桥梁，设计了基于CPG控制的人机一体化系统，实现以人为中心的控制策略，并基于肌力反馈信息实现切合患者生理需求的、具有柔顺物理交互能力的变阻抗控制，此外，通过与虚拟情景的交互，充分调动患者参与康复训练的积极性；最终实现患者主动参与的人机协同控制。项目的主要意义是通过我们具有特色的仿生机构和康复机器人控制系统的研究，以求提高下肢外骨骼康复机器人的临床效果，为康复机器人系统的设计和开发提供新的理论方法与技术支持，并推动相关学科的研究和发展。

我国正快速步入深度老龄化社会，脑卒中等老年性疾病患者逐年增多，而且我国又是全球脑卒中发病率最高的国家，因此，发展外骨骼机器人作为新型康复设备既有必要性，也有紧迫性。步行是人类最基本的运动功能之一，项目围绕改善下肢外骨骼康复机器人的康复训练效果，从仿生机构、穿戴物理接口、CPG模型、外骨骼步态、控制方法、多传感信息融合等诸多方面的工作入手，对台架式下肢外骨骼康复机器人的人机协同控制问题进行深层次的探索。.在机构上，项目设计了一套基于3-RPR并联机构的仿生膝关节和膝关节轨迹精密测量装置，能够有效补偿人机膝关节的轴偏误差，设计了一套具有上下两层结构的外骨骼膝关节轨迹自适应调节控制器，显著减少了人机寄生力；项目采用直线滑槽机构以适应不同患者的腿长，采用内柔外刚双层结构的穿戴模块以提高穿戴舒适度，并设计了双自由度靠背以适应患者重心的偏移；项目还开发了下肢辅助运动平台，具有减重和减振两种功能以改善机器人的机构性能。.在控制上，项目研制了基于仿生CPG的控制系统，基于对腿部肌肉骨骼的建模以及CPG网络的开发，实现了下肢外骨骼的仿生控制，同时还提出CPG状态观测器的概念，利用该状态观测器可以显著提高外骨骼控制的灵活性，患者能够在跑步机上静止启动，并可以根据跑步机速度实时调节外骨骼的行走速度，无需将患者完全悬吊起来。.此外，项目提出一种基于肌电信号的步态模式自适应调整算法，并以CPG网络为桥梁，让患者依据肌电信号的意图识别按照自己期望的步态模式行走。本课题还对脑电信号进行了拓展性研究，这为未来脑控CPG开发以及主动康复的相关研究奠定了基础。.项目研制的外骨骼样机与配套系统已经具备了极高的完成度，安全保障机制可靠，受试者穿戴和训练体验良好，样机设计了多种针对不同需求的康复训练模式，特别是仿生CPG控制独特的优良性能为后续的下肢外骨骼主动康复产品的产业化实现和相关理论的深入研究奠定了坚实的基础。