结构与感知一体化手功能康复软体机器人基础技术研究

It has great significance to improve the compliance and comfort of rehabilitation training by introducing soft robot technology into the field of rehabilitation robots. Considering that the soft robot for hand rehabilitation has the problem of the less degree of freedom, weak perceptual ability and low precision of motion control, study on design and control of the soft robot for hand rehabilitation with integration design of soft structure and flexible sensing element is carried out. The basic technologies, such as the integration design of soft structure and flexible sensing element, the motion performance analysis of soft mechanism model and force/posture control are solved. The principle prototype of soft robot for hand rehabilitation is developed, and the basic technology will be verified and improved..The integrated design method of the soft structure and flexible sensing element and the integrated molding method based on the shape deposition process are put forward, and the large deformation and force transfer characteristics are studied according to the piecewise constant curvature kinematic modeling method and flexible multi-body dynamics modeling method respectively. Then the echo state network method is improved to solve the nonlinear control problem of soft structure. The prototype of the soft robot for hand rehabilitation is developed, which has the characteristics of good compliance and flexibility, strong perceptual ability and high control precision. Then the rehabilitation training effect is improved..The design method of soft robot for hand rehabilitation is proposed, which provide a technical support for the design of soft robot for hand rehabilitation, and promotes the development of soft robot technology.

将软体机器人技术引入手功能康复领域对于提高康复训练的运动柔顺性和舒适性具有重要的意义。针对现有手功能康复软体机器人自由度少、感知能力弱且运动控制精度低等问题，开展结构与感知一体化手功能康复软体机器人设计及控制的研究，突破结构与感知一体化设计、软体机构运动性能分析、力/位姿控制等基础技术，研制手功能康复软体机器人原理样机，验证和完善上述基础技术。.提出软体结构与柔弹性感知元件一体化设计方法及基于形状沉积法的一体化成型方法；采用分段式常曲率运动学建模方法和柔性多体动力学建模方法分别对大变形和力传递特性进行研究；改进回声状态网络法解决软体结构非线性控制问题；构建康复机器人原理样机，使其兼具运动柔顺性与灵活性好、感知能力强且控制精度高等优点，提升康复训练效果。.提出手功能康复软体机器人的系统设计方法，为设计手功能康复软体机器人提供技术支撑的同时，推动我国软体机器人技术的发展。

手功能康复机器人可在一定程度上替代康复医师来辅助手功能障碍患者进行康复运动训练，极大地降低康复成本的同时，加快患手的康复进程，是一个多学科交叉的前沿热点研究方向，具有重要的科学意义与应用价值。本项目针对现有手功能康复机器人存在的问题，开展了软体机器人构型设计、机构性能分析与优化、软体机器人控制方法等研究，研制了手功能康复机器人原理样机，并对其进行了综合性能测试与应用验证。.（1）提出了基于EGaIn的结构感知一体化手功能康复机器人机构设计方法，将多自由度软体机构与柔弹性感知单元进行了一体化集成，并对其制作工艺进行了研究。结果表明，该多自由度机构具有10个可独立控制的运动自由度，且可提供最大误差3.5度的角度感知精度与最大误差0.3N的力感知精度，满足手功能障碍患者灵活康复运动与精确力/位姿感知的多样化康复需求。.（2）提出了多自由度软体机构性能分析与优化方法，对软体驱动器大变形机理与多绑缚条件下人机力传递特性等进行了有限元仿真与理论建模，得到了软体驱动器的气压-弯曲角度关系与气压-驱动力关系，并通过实验证明了模型的有效性，为软体机构与刚软复合机构手功能康复机器人的设计提供了理论与技术支撑，也为后续的精确控制提供了参考。.（3）采用阻抗控制算法，将软体机构的弯曲角度与末端抓持力信息进行融合，开展了软体结构的力/位姿控制算法研究，使得被控对象能更好地跟随目标弯曲角度和力完成操作，实现了患手运动位姿和末端抓持力的精确控制。.（4）研制了10自由度刚软复合手功能康复机器人系统，并对其进行了综合性能测试与应用验证。实验结果表明，该样机可辅助患手实现各指掌指关节与指间关节的独立屈伸，多关节共同运动的对指、跨握、平直抓取等常用康复动作，以及在不同手势下对日常物品的灵活抓取。.本项目的研究为手功能康复机器人的设计提供了理论依据和技术支撑的同时，一定程度上提升了我国手功能康复机器人和软体机器人技术研究水平。