欠驱动下肢康复机器人系统的设计理论与柔顺控制研究

面向下肢疾病患者步行康复训练国际学术前沿和新型步行训练机器人自主创新需求，将机构学、生物力学/康复医学和柔顺控制三者有机结合，研究欠驱动下肢康复训练机器人系统的机构创新设计方法，提出新型重力平衡机构并实现考虑轻动性的综合性能优化设计方法；将步态分析、肌电数据与人体生物力学仿真有机结合，研究人体生理参数模型辨识的新方法，揭示患者生理参数与下肢康复训练系统配置参数间的内在联系，用于指导患者外骨骼运动轨迹规划和控制策略制定；基于生物力学仿真和临床实验，探索适于患者不同步行训练模式的柔顺控制规律和自适应参数调整规律；应用上述研究成果，建造1台下肢康复训练机器人物理样机，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提高下肢康复机器人的临床应用效果提供重要的理论与技术基础。

临床实践表明，良好的下肢康复训练可以提高下肢活动能力和促进神经功能修复。为克服传统康复训练方法康复师劳动强度大、重复性差、训练效率低下等不足，下肢康复机器人技术逐渐发展起来。目前应用于临床的下肢康复训练机器人主要以系统庞大，费用高昂的机器人为主，应用场所大部分为医院。随着互联网技术的快速发展，家庭康复已经成为可能，因此研究基于特定患者的家庭用下肢康复机器人已经成为趋势。本项目针对下肢康复训练机器人自主创新需求，开展了一系列基于家庭的下肢康复机器人研发工作。. 1）开展了大量机器人康复训练临床应用及康复效果等方面的研究工作，其中包括：在机器人步行训练中对髋关节力矩测量的信赖性探讨、辅助下肢康复系统的理论设计和顺应性控制研究、不同频率的听觉节律提示对患者康复训练的影响等。研究结果表明，在机器人训练中加上声音节律刺激器，可以使患者在进行机器人步行训练时，提高迈步时躯干及肌肉收缩程度，从而达到加快患者康复的目的。该研究成果将对下肢康复训练机器人的设计起到非常重要的指导作用。. 2）应用机构学、人体生物力学、康复医学等相关理论，采用三维实体建模，模拟仿真及实验技术，开展了一系列下肢康复机器人设计方法研究工作，其中包括：借助动作捕捉实验设备，开展了一系列正常人体步态轨迹研究；借助人体生物力学软件，建立了人-机耦合模型，并进行了模拟仿真实验，开展了基于个性化的下肢康复机器人设计方法研究，并设计了多款基于正常人步态的机器人结构，为下肢康复机器人的定制设计及机器人进入家庭提供了理论基础。. 3）开展了一系列仿真实验研究，并开发了机器人实验样机，其中包括：机器人的三维实体模型的建立，外骨骼结构及尺寸的确定。开展了实验样机开发工作，其中包括：借助人-机仿真系统，实现了康复机器人训练过程仿真；通过步行过程仿真分析，获取了在步行过程中的下肢主要肌肉的长度与伸缩速率变化的参数。比较了在不同驱动速度下这两项参数的相对变化情况，根据分析结果对下肢康复机器人的运行速度做出了合理的规划；完成了电机选型及转矩和关节角度确定、机器人控制方案的确定、关键零部件加工、整机装配及调试。该成果将为后续研究奠定良好的理论基础和实验条件。