基于胞元拓扑结构的多自由度软体手部康复机器人关键技术研究

The soft robot for hand rehabilitation has the advantages of good compliance, light structure and low cost. So it is easy to be popularized and applied in the hospital, community and family, and has broad application prospects. In order to solve the shortcomings of the existing soft robot for hand rehabilitation, such as insufficient output stiffness, poor flexibility and lack of effective design method, the key technologies, such as configuration design of hand rehabilitation robot with multi-DOF (degree of freedom) based on cell topology soft structure, performance analysis of rigid-flexible model including skeletal, muscle and soft robot and motion performance optimization, are solved. Then the principle prototype of soft robot for hand rehabilitation is developed, and design and analysis methods are verified through experiments. In this project, the configuration design method of soft robot for hand rehabilitation with cell topology structure is proposed. Performance mapping analysis method is proposed based on rigid-soft hybrid model including skeletal, muscle and soft robot, and mapping relationship of motion performance between soft structure and finger is established combining piecewise constant curvature method and multi-body dynamics method. Performance optimization method is proposed, which includes the structure parameters and wear position parameters. This provides a technical guidance for the design of the rehabilitation robot with good rehabilitation effect, and provides reference for the research of other soft robots and rehabilitation robots.

软体手部康复机器人具有运动柔顺性好、结构轻便、成本低廉等优点，便于在医院、社区、家庭推广应用，具有广阔的应用前景。为解决现有软体手部康复机器人输出刚度不足且运动灵活性较差、缺乏有效的设计依据等问题，重点突破基于胞元拓扑软体结构的多自由度手部康复机器人构型设计、基于骨骼-肌肉-软体机器人刚软混合模型的性能分析、性能优化等关键技术，研制软体手部康复机器人原理样机，通过实验对设计及分析方法进行验证。本项目创新性的提出了基于胞元拓扑结构的软体手部康复机器人构型设计方法；结合骨骼-肌肉-软体机器人的刚软混合模型，提出性能映射分析方法，结合约束条件下的分段常曲率法和多体动力学方法建立软体结构与手指运动性能之间的映射关系；提出包含结构和穿戴参数的性能优化方法，为设计具有良好康复效果的软体手部康复机器人设计提供技术指导，也为其他软体机器人及康复机器人的研究提供借鉴。

随着老年人口的急剧增加，脑卒中成为威胁其生命健康安全的主要疾病，超过半数的患者存在不同程度的手部运动功能障碍，为了帮助患者恢复手部运动能力并掌握正确的运动姿态，需要通过大量重复练习以重塑并改善受损神经，因此，手部康复机器人应运而生。针对现有的刚性结构机器人结构笨重、柔顺性不足且容易对患者造成二次伤害和软体结构机器人输出刚度不足、运动灵活性低、人机相容性差等问题，设计了一款具有新型结构软体驱动器的手部康复机器人，并围绕其展开以下主要工作。首先，以人手生物学特性和康复机理分析为基础，得到正常手指的运动规律以及有效的康复治疗过程；接着，对比纤维增强型软体驱动器的不足之处，设计一款仿竹节式软体驱动器，并对其结构模型进行介绍；建立软体驱动器的材料数学模型和弯曲理论模型；进行新型软体驱动器的ABAQUS仿真分析，对比不同的结构尺寸参数产生的仿真结果和不同结构驱动器之间的性能对比，得到最优的参数值，并对软体驱动器结构设计的合理性进行理论验证。其次，进行软体驱动器的制作，包括模具的设计和制作流程的介绍；为了将软体驱动器集成并固定到准确地位置上，进行手套系统的设计，并基于软体机器人穿戴位置偏差对手指运动性能的影响进行人-机闭环等效模型和人-机闭环运动学模型的建立。然后，进行机器人控制系统的设计，主要包括驱动模块、执行模块、控制模块和反馈模块，确定机器人的驱动方式和各模块主要硬件的选型，并设计单腔充气的气路方案；接着，根据对康复机理的研究，提出基于被动训练的上位机控制方案和主动训练的肌电控制方案，并设计具有康复反馈的人机交互界面，从而达到对康复训练各阶段的良好把握。最后，搭建软体驱动器实验平台，进行气压与弯曲角度和末端接触力之间的实验分析，将结果与前文的数学理论模型和仿真实验进行对比，以此来验证软体驱动器结构设计的合理性；接着，研制软体手康复机器人样机，并在其基础上进行上位机控制的康复功能与抓取能力实验和肌电控制的全指弯曲实验，验证软体机器人系统的可靠性和集成性；通过临床实验，验证软体机器人系统的舒适性和稳定性。