基于上肢关节刚度估计的柔性外骨骼抗阻力康复策略研究

In China, there are 1,500,000 to 2,000,000 new stroke patients each year. For their rehabilitation therapies, effective devices with high safety are urgently needed. Upper limb exoskeletons are the key medical equipment for the recovery of stroke patients’ motor function. Safety and effective training strategies are the key technologies for the research on exoskeletons. In this project, the upper limb dynamic characteristics are analyzed through the feature extraction and signal processing from EMG signals. The joint variable stiffness technology that can mimic the nonlinear variable stiffness characteristic of muscles is researched from the perspective of biomechanics. The signal processing and stiffness estimation method are used for calculating the joint stiffness in real time that can reflect patients’ muscle strength. The “patient-centered” adaptive controller can be realized after building the relationship between patients’ muscle strength and output impedance of the device. With this method, the autonomous contraction force can be activated for promoting the motor function recovery. Expected outcomes in this project not only provide theoretical and technical support to future home-based rehabilitation robots but also contribute the common problems for human-environment applications.

在我国，每年有150万到200万新发中风病人，对于他们的康复治疗，亟需康复效果好、安全性高的设备。上肢外骨骼机器人是恢复中风患者上肢运动机能的关键医疗设备。康复训练的安全性和有效的康复策略是外骨骼机器人研究的关键技术。本项目基于肌电信号特征提取和处理，分析患者肢体动力学特征，从运动生物力学角度研究可模拟肌肉非线性变刚度特性的关节变刚度驱动器技术，提升外骨骼机器人的关节柔顺性和康复训练的安全性。运用信号处理和刚度估计方法实时计算肌肉关节的刚度来反映患者肌力状况。建立患者肌力状况与设备输出阻力之间的关系，实现设备 “以病人为中心”的自适应阻抗输出，激发患者自主收缩力，促进运动功能恢复。本项目的预期成果将为未来康复机器人的家庭化提供理论和技术支持，而且对于类似机器人与环境交互中的共性问题，具有重要的科学意义和学术价值。

上肢康复外骨骼机器人以偏瘫肢体的运动再学习理论为依据，辅助病人进行康复训练来重塑脑神经，恢复运动机能。传统康复治疗训练，康复师容易疲劳，而机器辅助治疗可以实现长期训练，被证明更加地有效。作为一种复杂的人机耦合一体化系统，柔性结构的设计十分重要。柔性结构可以根据外界环境特性调整运动参数，是柔顺控制实现的硬件基础。本项目对仿骨骼肌非线性变刚度特性的可变刚度驱动技术进行了深入的研究。对串联弹性驱动关节、基于浮动弹簧关节的变刚度驱动关节以及基于杠杆变支点原理的可变刚度关节都进行了研究。并采用扭绳驱动和鲍登线混合传动的方式设计了一款便携式康复外骨骼设备。在基于患者状况自适应控制器的设计上，设计了一种基于远程力感知的“病人在环中”的康复策略，可以实现患者全康复周期下的康复训练。自适应控制器主要为保证患者训练过程中的安全，在类似肌肉痉挛等意外发生时，可以降低系统刚度，来避免危险。另外，在原有计划基础上增加了对便携式康复外骨骼连接机构的研究，可以有效降低患者负重时的新陈代谢，为进一步实现便携化康复机构的临床应用提供技术支撑。