智慧上肢康复机器人人机交互运动训练控制方法的研究

With the rapid development of rehabilitation training robotic system，the most essential problems in rehabilitation medicine to be solved are: what kind of training it is of the most benefit for the patients, and what is relationship among the training methods, training amount and rehabilitation effect etc. Traditional rehabilitation methods mainly rely on skills of rehabilitation physician, which precludes the deep research on neurological rehabilitation to some extent. Thus, it is of great significance to improve the intelligence of upper limb rehabilitation robot. Based on exoskeletal robot for upper limb rehabilitation robot, in this project, the dynamic characteristics of the human arm are analyzed, the interactional dynamic model of robot-human system is established, a data-driven model-free adaptive sliding mode control (MFASMC) approach is proposed based on a new transformation and linearization of the robotic exoskeleton dynamics and a discrete time sliding mode with exponential reaching law. Concerning the difference in experts’ score on rehabilitation evaluation, by combining Analytic Hierarchy Process and Fuzzy Comprehensive evaluation method, a self-correction AHP-Fuzzy evaluation method which is both qualitative and quantitative is presented and a clinical evaluation method of motor function is proposed. The implementation of the project would greatly promote the development of robot technology and rehabilitation medical engineering.

针对日益发展的康复机器人训练系统，什么样的训练对于患者的康复最有益，训练方法、训练量和康复效果之间存在什么关系等问题是目前康复医学上亟待解决的难题。传统的康复手段过于依赖康复医师的个人技术，在一定程度上阻碍了神经康复研究的深入开展，因此，这些问题的解决就落到上肢康复机器人的智能化实现上。本项目以外骨骼式上肢康复机器人系统作为研究对象，分析人体上肢的运动特性，建立Robot-患肢人机交互动力学模型；研究新的动态线性化方法和离散滑动模态指数趋近律，提出上肢康复机器人离散系统的无模型自适应滑模控制方法，拟解决康复训练轨迹跟踪过程中的人机交互控制及稳定性等问题；针对康复评价中专家评分差异性的问题，在上肢康复机器人系统中将决策分析中常用的层次分析法与模糊分析法相结合，提出一种将定性定量相结合的、系统化的评价方法，建立运动功能评价模型。此研究的开展将对机器人技术和康复医学工程的发展起到巨大的推动作用。

康复机器人技术是近年来发展起来的一种新的运动神经康复治疗技术，将机器人技术与康复医学结合，旨在利用机器人代替理疗师来辅助偏瘫患者进行康复训练。其技术难点在使用训练过程中难以脱离康复医师的指导。因此，本项目根据康复医学的运动疗法和作业疗法，针对穿戴后上肢人机交互运动特点，重点研究智慧上肢康复机器人的控制及评价系统，以实现更好的临床康复训练应用。本项目依托外骨骼式上肢康复机器人，针对外骨骼式上肢康复机器人的人机交互的运动特点建立了Robot-患肢人机交互动力学模型。在此基础上，针对人机交互模型的时变性特点，采用无模型自适应滑模控制算法实现了康复机器人的各关节运动控制。之后，采用模糊AHP递阶算法，针对康复评价中专家评分差异性的问题建立了运动功能评价模型。此项研究的开展将对机器人技术和康复医学工程的发展起到巨大的推动作用。