刚柔混联下肢康复机器人构型及训练模式研究

The lower limb rehabilitation training of the hemiplegic patients, realize by the motion control and the force control, refers primarily the functional recovery of the lower limb joints, the muscles and the nervous system.Taking corresponding motion training and (or) force training can achieve better results for different dyskinesia.More importantly, the robot should follow the patients' active motion to ensure the safety of patients in the man-machine cooperation rehabilitation system.The existing rehabilitation equipments are mainly to realize the trajectory tracking control of the gait training, the theories and methods of the other motion forms and the compliance control are far from perfection.. To investigate the training effects of the different motion and function patterns, the motion biological information of the humans lower limb is collected by experiments, and the lower limb model is established on the basis of the bone lever principle and the working principle of the muscles.Then the mechanical structure of the modular hybrid rigid-flexible lower limb rehabilitation robot is designed. Using the influence coefficient method and the convex optimization methods, the motion planning of the rigid mechanism and wire tension distributing algorithm are investigated. The man machine interactions and the control effect of the passive/ active compliance control are analyzed by using the collaborative simulation of the man-machine system. The solution of the defects of the rehabilitation training device’s single function can achieve the target of the lower limb multi-mode training, which is of great significance to the improvement of lower limb rehabilitation training and the theory of the parallel wire driven robot.

偏瘫患者的下肢康复训练，主要通过运动和力量控制，实现下肢关节、肌肉和神经的功能性恢复，并且不同的运动障碍，采用针对性的运动和（或）力量训练可达到更好的效果，同时康复训练是人机合作系统，机器人应适应训练者的主动性，保障运行安全。现有的康复设备更多的主要是实现步态轨迹跟踪控制，对其他运动形式和柔顺性控制的理论和方法还不完善。.本项目通过实验手段采集人体下肢运动生物信息，并依据骨骼杠杆原理及肌肉工作原理，建立下肢模型，研究不同运动模式和功能模式的康复训练效果；依此完成模块化刚柔混联下肢康复训练机器人的机械创成，利用影响系数方法、凸优化方法，探索刚性支链运动规划和绳索拉力分配算法；利用人机系统的协作仿真方法，研究人机双作用特性，分析被动柔顺性和主动柔顺性的控制效果。解决康复训练设备功能单一问题，实现对下肢进行多模式的康复训练目标。对改进下肢康复训练方法和完善绳索并联机器人构型具有科学意义。

偏瘫等患者的下肢运动障碍的康复训练，主要是通过运动和力量控制，实现下肢关节、肌肉和神经的功能性恢复，并且不同的运动障碍，采用针对性的运动和（或）力量训练可达到更好的效果，同时考虑康复训练是人机合作系统，机器人应适应训练者的主动性，保障运行安全。针对现有的康复设备更多的主要是实现步态轨迹跟踪控制，而其他运动形式和柔顺性控制的理论和方法还不完善问题，本项目开展相关技术研究。项目组利用肌电仪和生物运动信息采集系统（FAB）通过实验手段采集人体下肢运动生物信息，分析了膝关节的生物力学特性和典型运动下典型肌肉的肌电信号，并依据骨骼杠杆原理及肌肉工作原理，建立下肢模型，研究不同运动模式和功能模式的康复训练效果，得出不同康复目的采用不同康复策略更为有效，需要不同机器人构型以实现不同康复运动功能，为康复机器人构型研究和康复控制策略的制定提供了依据；完成了模块化刚柔混联下肢康复训练机器人的机械创成，具体包括下肢的屈伸训练、内收外展/内旋外旋训练的机器人构型，利用影响系数方法、凸优化方法，进行了系统运动学、动力学分析，开展了绳索拉力的优化方法，以绳索拉力性能为优化目标，探索了刚性支链运动规划，通过空间力状态分析，得出刚性支链运动规划状态受外负载工况条件影响的规律；通过人机系统的协作仿真分析，为增强系统柔顺性，提出绳索人工肌肉，研究了弹性单元参数对柔顺性的影响；建立了力矩电动机驱动系统模型，完成了驱动系统原理图，试制了驱动系统硬件；研制了下肢康复训练机器人样机，以运动控制卡为控制核心，开展了系统相关实验，验证了机器人结构布置、驱动器性能、拉力优化算法、绳索人工肌肉、伺服控制策略的有效性。实现了对下肢进行多模式的康复训练目标，改进了下肢康复训练方法，并完善了绳索牵引并联机器人构型理论。