面向膝上截肢者融合智能下肢假肢的新型外骨骼机器人关键技术研究

The exoskeleton robots have been widely used in fields of individual combat, bearing weight and helping the disabled, etc. The existing exoskeleton robots are suitable for humans whose two legs are alive. To achieve the function of powered walking for the above knee amputees, the studies of the exoskeleton robots and intelligent lower-extremity prostheses are combined and a new exoskeleton robot fused with intelligent lower-extremity prosthesis is proposed oriented on above knee amputees. The main research contents are as follows: (1) biological mechanism analysis of human and bionic structure design of the exoskeleton robot; (2) system modeling and analysis of the exoskeleton robot; (3) gait perception and information fusion of the exoskeleton robot; (4) human-machine coordination and disturbance balance control; (5) performance testing and prototype experiment of the exoskeleton robot. In order to realize that the above knee amputees can not only easily complete the daily movement, but also can walk with powered exoskeleton like normal people, the simulations using virtual prototype and experiments with prototype will be done based on theory research and analysis. This research will promote the organic integration between prosthesis and human body and has important theoretical significance and practical application value to the development of the exoskeleton robots and intelligent lower-extremity prostheses.

外骨骼机器人在单兵作战、背负重物及帮助残疾人等方面应用广泛，但现有外骨骼机器人均适用于双腿健在的人群。针对膝上截肢患者实现助力行走功能的需求，将外骨骼机器人与智能下肢假肢的研究结合起来，提出一种面向膝上截肢者融合智能下肢假肢的新型外骨骼机器人。主要研究：（1）人体生物机理分析与外骨骼机器人结构仿生设计；（2）外骨骼机器人系统建模与分析；（3）外骨骼机器人步态感知与信息融合；（4）外骨骼机器人人机协调与扰动平衡控制；（5）外骨骼机器人性能测试与原型样机实验。在理论研究与分析的基础上，利用虚拟样机技术进行仿真，然后结合原型样机开展相关实验研究，以期实现既可以让膝上截肢患者轻松完成日常运动，又可以让像正常人一样穿上外骨骼实现助力行走。本课题的研究将促进假肢与人体的有机集成，对外骨骼机器人及智能下肢假肢的发展都有重要的理论意义和实际应用价值。

外骨骼机器人在单兵作战、背负重物及帮助残疾人等方面应用广泛，但现有外骨骼机器人均适用于双腿健在的人群。针对膝上截肢患者实现助力行走功能的需求，将外骨骼机器人与智能下肢假肢的研究结合起来，提出一种面向膝上截肢者融合智能下肢假肢的新型外骨骼机器人。主要研究：（1）人体生物机理分析与外骨骼机器人结构仿生设计；（2）外骨骼机器人系统建模与分析；（3）外骨骼机器人步态感知与信息融合；（4）外骨骼机器人人机协调与扰动平衡控制；（5）外骨骼机器人性能测试与原型样机实验。在项目执行期间，完成了新型外骨骼机器人机构总体设计。分析了仿生膝关节的拟人特性并确定了驱动轴，对新型外骨骼机器人进行了结构静力特性分析、模态分析与稳定性分析。建立了新型外骨骼机器人动力学模型与人机耦合模型，设计了磁流变阻尼器并进行了实验建模。进行了下肢外骨骼机器人负重机理分析与人机运动相容性分析，设计了外骨骼机器人柔性约束并进行了约束力计算。基于模糊推理方法对外骨骼性能进行了评价，搭建了人体步态数据测量系统并进行了步态规划与运动意图模式识别研究。对比分析了新型外骨骼机器人基于计算力矩的PD位置控制、采用重力补偿优化的位置控制以及采用自适应鲁棒控制优化的位置控制方法。进行了新型外骨骼机器人人机交互控制方法研究，包括基于位置的阻抗控制方法、基于修正位置的自适应阻抗控制方法以及基于改进阻抗关系的阻抗控制方法。搭建了截肢腿侧实验平台并对模式识别系统的准确性进行了验证。基于项目研究成果，发表学术论文7篇。本课题的研究将促进假肢与人体的有机集成，对外骨骼机器人及智能下肢假肢的发展都有一定的理论意义和实际应用价值。