外骨骼机器人柔性变刚度机构原理及康复机理研究

Robot will embody its value only when applying to the practice and working for human. The study of new effective rehabilitation exoskeleton and rehabilitation mechanism that aimed at helping patients with paralysis of the lower limbs is the most significant research in robotics. An exoskeleton robot for patients with paralysis of the lower limbs in patients is proposed in the project. Our aim is to establish an innovative flexible exoskeleton with shock absorbing and large energy output radio by using variable stiffness actuator. And then on basis of the proposed flexible mechanism and rehabilitation exoskeleton robot system, the project examines the flexible mechanism control and the overall co-ordination of joint stiffness following environmental change, and the intelligent rehabilitation control strategy of the exoskeleton robot system that can automatically adapt to the physical condition of patients with paralysis of the lower limbs, to provide an effective theoretical basis for the safe, effective, stable and rehabilitation training for lower extremity motor dysfunction. Through the study, we aimed to establish a flexible exoskeleton robot system for paralysis of the lower limbs in patients with physical rehabilitation and walking assist, and validate the effectiveness of control theory of the proposed exoskeleton and rehabilitation mechanism, which lay a new theoretical methods and key technologies for the flexible exoskeleton rehabilitation robot.

机器人研究只有能应用于实际，为人类生活或工作带来便利，才有其存在价值。以帮助下肢运动功能障碍患者摆脱轮椅、有效康复的外骨骼机器人新机构和康复机理研究，正是机器人技术最有意义的研究。本项目以专门针对下肢运动功能障碍患者康复的柔性外骨骼机器人作为研究对象，以结构精巧、安全、能量输出比大为目标，研究具有主动吸收消减各种冲击、可变刚度的创新柔性驱动机构及其外骨骼康复机器人系统，并通过研究柔性驱动机构针对康复助行各种步态中各个关节的变刚度辅助出力规律，柔性机器人的康复助行稳定行走控制方法以及与患者身体状态自动适应的外骨骼机器人系统智能康复控制策略，为下肢运动功能障碍患者高效、稳定、科学的康复训练提供理论依据。通过本项目研究，构建出适用于下肢运动功能障碍患者身体康复及行走助力的柔顺外骨骼机器人系统，验证所提出的新型机构控制理论及康复机理有效性，为柔顺外骨骼康复机器人研究提供新的理论方法和关键技术。

机器人研究只有能应用于实际，为人类生活或工作带来便利，才有其存在价值。以帮助下肢运动功能障碍患者摆脱轮椅、有效康复的外骨骼机器人新机构和康复机理研究，正是机器人技术最有意义的研究。.本项目针对下肢运动功能障碍患者设计了用于康复训练的柔性外骨骼机器人，包括可变刚度的创新柔性驱动机构以及外骨骼康复机器人系统，具有结构精巧、安全、能量输出比大的特点，能够主动吸收消减下肢运动过程中的各种冲击。提出了柔性外骨骼机器人的三种智能康复控制策略和针对不同患者下肢康复的康复策略，为下肢运动功能障碍患者高效、稳定、科学的康复训练提供理论理论依据。.项目首先分析了人体下肢生物力学模型，对外骨骼机器人进行了仿生机构设计，使用ANSYS对机器人进行有限元仿真，强度、刚度仿真验证了机器人负载的安全性能；然后对下肢外骨骼机器人驱动和控制系统进行研究，提出了完整的控制系统总体设计方案，阐述了控制系统的工作原理。在硬件电路设计上，本文对控制系统的主控层、通信层、关节控制层和传感层的电路设计与实现进行了深入的研究；在软件算法上，本文分别设计了关节控制层、主控层的软件框架以及通信层中无线通信部分的软件构架，另外还详细研究了电机的闭环控制算法。.项目分析了人体下肢生物力学特征和步态周期功率曲线，结合人体行走过程中的各关节的角度、力矩曲线特点，设计出柔性变刚度驱动器，并对驱动器的结构参数进行了优化计算与仿真验证，确定最优柔性变刚度驱动器模型。然后根据柔性外骨骼机器人的控制任务设计了柔性变刚度驱动器的控制系统。.最后，深入研究了柔性外骨骼机器人的康复策略，对几种典型患者康复机理和康复方案进行了分析，确定了人机任务分配原则，提出了被动辅助训练、半主动辅助训练和被动辅助训练的三种康复控制策略模型，分别阐述了其工作流程，并分别设计了相应的保护控制策略。