气动肌肉驱动柔性脚踝康复机器人动态建模及其机构和控制优化

Existing ankle rehabilitation devices normally employ rigid actuators, which are not flexible and secure enough for patients and are likely to cause secondary damage to the injured limbs. Applying intrinsically compliant pneumatic muscle actuators (PMAs) to the rehabilitation devices has many obvious advantages. This project aims to investigate and tackle the theoretical and technical difficulties existing in dynamic modelling, mechanism optimization and cooperative control of PMAs-driven ankle rehabilitation robots. Specifically, a new PMA dynamic model will be created based on its working principle under varying load conditions in rehabilitation, which is a foundation to control them precisely in dynamic environment. As traditional PMAs-driven antagonistic structure cannot provide multiple degrees of freedom (DOFs) movement for ankle rehabilitation purpose, a novel redundantly actuated robot mechanism will be modelled and its structural parameters will be optimized for ankle treatment. In order to handle the uncertainties and disturbances in a human-robot system for safety purpose, a new nonlinear disturbance observed sliding mode controller for PMAs will be proposed and a force distribution and optimization method for the redundant parallel mechanism will be created. Furthermore, a joint space compliance adjustment approach will be proposed for the PMAs-driven robot and a patient-robot cooperative control strategy will be conducted based on patient performance evaluation and task space modification. Finally, a PMAs-driven ankle rehabilitation robot will be systematically implemented by testing and integrating all parts and modules of dynamic models, mechanical structure and cooperative controller. Outcomes from this project will bring important theoretical significance and practical application values to the development of flexible rehabilitation robotic systems.

现有脚踝康复设备多采用刚性驱动器，其柔性和安全性较差，易对受伤肢体造成二次伤害，将具有柔性特征的气动肌肉应用于康复设备优势明显。本项目针对气动肌肉驱动脚踝康复机器人的动态建模、机构优化和协调控制技术存在诸多难点展开研究。研究气动肌肉在康复应用中变负载条件下的工作机理，建立其动态模型，实现动态环境中气动肌肉的精确控制；针对传统拮抗机构难以实现多自由度驱动的问题，研究创建气动肌肉冗余驱动的脚踝康复机器人机构模型，优化机构及其参数配置；设计一种基于非线性扰动观测的滑模控制器，建立并联冗余机构关节空间的力分配方法，解决人机交互中系统存在不确定扰动的控制难题；提出一种气动肌肉并联关节的柔顺性调节方法，结合运动性能评估和任务修正实现人/机协作控制；通过试验与集成，形成基于动态建模、机构优化和协调控制的气动肌肉脚踝康复机器人系统。该成果对柔性康复机器人系统设计研究具有重要的理论意义和实际应用价值。

康复机器人对于提高康复效率、保证康复质量、降低人工劳动强度具有重要意义。气动肌肉能以最接近人体肌肉的方式来驱动关节运动，其驱动的机器人柔顺性好且适合穿戴，因此作为驱动器设计辅助康复设备具有独特的优势。本项目重点研究气动肌肉驱动脚踝康复机器人的动态建模、机构优化和协调控制等基础理论和关键技术。主要开展的研究工作包括：建立了康复应用变负载条件下的气动肌肉工作机理和动态模型，在此基础上实现了气动肌肉的精确控制；创建了气动肌肉冗余驱动的三自由度脚踝康复机器人机构，通过优化机构及其参数配置解决了传统拮抗机构难以实现多自由度驱动的问题；针对气动肌肉的人机交互不确定扰动和高非线性问题，设计了基于非线性扰动观测的滑模控制器，实现了并联冗余机构的力分配和解耦平稳控制；结合患者意图识别和运动性能评估，实时修正机器人辅助训练任务和输出，通过气动肌肉并联关节的柔顺性调节实现人/机协作控制；最后形成气动肌肉驱动的柔性脚踝康复机器人系统并测试优化。通过本项目的实施研发了柔顺、安全的柔性康复机器人设备，对改善患者康复效果，提高患者康复的主动性和积极性十分重要。.通过本项目的研究所取得的成果包括：出版英文学术专著1部；发表学术论文53篇，其中SCI收录论文32篇、EI收录论文19篇；申请/授权发明专利9项、实用新型专利2项。依托本项目的支持，项目组与英国利兹大学、伯明翰大学等世界知名高校开展了稳定深入的学术交流与合作，共同举办了老龄化应对、先进生机电一体化等国际会议和研讨会，参加IEEE IROS、AIM等国际学术会议并作口头报告10余次，提升了项目组的国际化水平和国际影响力。项目组建立了长效的人才国际交流和培养机制，完成了30余位博士、硕士研究生的培养及团队青年教师的出国访学工作；通过国内外合作与交流，突破了柔性康复机器人机构设计与建模、智能人机交互与控制等关键技术，为医疗康复机器人相关科技的发展和成果转化奠定了基础。