足底驱动柔性步态模拟机构设计理论与控制方法研究

As one of the most important classes of service robots, the lower-limb rehabilitation robot plays an important role for the health and medical care of people. At present, although in this regard great achievements have been obtained by our researchers in China, there are still challenging issues in innovation design, human-machine engineering，control system intelligentizing，and design and/or control methods for the human-machine interaction system, leading to that there remains room for improvement in key technologies and commercialization compared to its development in foreign countries. To meet the demands of lower-limb rehabilitation and the innovation of novel gait training devices, combining the knowledge of mechanism, biomechanics, and rehabilitation, this project focuses on the topological synthesis, kinematic and kinetostatic optimization, and integrated adaptive trajectory planning and simulation estimation methods for gait training of a novel flexible actuated foot-plate-based gait rehabilitation mechanism. By employing pneumatic muscles as actuators, the approach for dynamic modeling of the mechanical-electric-pneumatic coupled system is investigated in order to propose an appropriate compliance control algorithm. Based on above-mentioned research works, a prototype will be built to testify the validity and effectiveness of the proposed methods. The outcomes of this project may promote and consolidate our own design theory and methods for the development of lower-limb rehabilitation robots.

下肢康复机器人作为服务机器人中重要的门类之一，对服务于人民医疗健康具有重要作用。目前，国内下肢康复机器人的研究虽然已经取得了一定的成果，但在构型自主创新、人机工程化及人机耦合系统设计方法、控制系统智能化及人机交互控制方法等方面仍然存在若干问题需要解决，相关核心技术及产业化程度仍与国外存在一定差距。本项目面向下肢康复训练和新型下肢康复机器人自主创新需求，将机构学、生物力学和康复医学三者有机结合，研究足底驱动柔性步态模拟机构构型创新与综合性能优化设计方法，集成化步态训练自适应运动轨迹规划与运动复现效果评估方法，探索以气动肌肉为作动单元的步态模拟机构机-电-气耦合系统动力学建模，以及适合人体下肢康复训练的柔顺控制算法，并应用上述研究成果，构建原理样机以验证所提出理论与方法的正确性和有效性。本项目研究成果将为我国下肢康复机器人的工程设计和开发奠定重要的理论与技术基础。

医疗康复机器人对服务人民健康具有重要意义。密切结合新型下肢康复训练机器人自主创新需求，本项目系统研究一种足底驱动柔性步态模拟机构的构型创新、参数设计、康复轨迹规划、虚拟样机技术及轨迹跟踪控制方法，并建造原理样机开展实验研究。针对下肢康复训练运动需求，提出一种冗余驱动三自由度足底驱动步态模拟并联机构，在分析其组成原理和运动特点的基础上，建立机构的运动学模型。基于机构的广义雅克比矩阵，提出适用于该冗余机构运动/力传递性能分析的评价指标，利用多目标优化设计方法实现机构尺度参数优化设计。借助虚功原理和子结构综合思想，建立考虑机构全部关节和部件弹性变形影响的静刚度精细化半解析模型，用于机构全域静刚度特性快速预估。基于人体下肢运动生物力学仿真分析，提出一种适于主动训练的复合康复运动轨迹，建立人机耦合系统仿真模型，以主要动力肌肉的平均肌力和活性为康复训练效果评价指标，验证复合康复轨迹的有效性。针对气动人工肌肉强非线性及时变性的特点，提出一种有效描述气动人工肌肉非对称迟滞特性的参数化模型，具有算子和参数个数少、模型精度高的优点。在此基础上，提出气动人工肌肉前馈/反馈运动控制策略，以及基于关节空间控制策略的步态模拟机构高精度轨迹跟踪控制方法。最后，利用实验方法验证上述设计与控制方法的有效性。本项目执行年限内，在国内外期刊及会议上发表学术论文12篇，被SCI收录7篇次，被EI收录12篇次；发明出3种新型足底驱动步态模拟机构，均已授权国家发明专利；培养博士研究生1名、硕士研究生5名。