面向生机电一体化灵巧操作假肢的共融机器人理论与关键技术研究

The Human-Robot-Environment harmony robot is one of the research frontiers and hot topics of the robotics field, bio-electromechanical integrated dexterous manipulation prosthesis is an important instance belonging to the Human-Robot harmony robots. With regard to the bio-electromechanical integrated dexterous manipulation prosthesis, the project aims at performing the research on the fundamental theories and key techniques, including: (1) the bio-signal based motion intention interpretation; (2) the acquisition of multi-modal haptic sensation information; (3) the feedback from the multi-modal haptic sensation information; (4) the mechanism of the multi-modal haptic feedback enhancing the neuro-control capability; (5) the bio-signal based coordinated control techniques for the dexterous manipulation prosthesis. The bi-directional closed-loop natural human-robot interface that will be established in this project shall provide more effective support and assistance for the amputees, it shall also lay a solid foundation for performing deeper theoretical researches on the Human-Robot harmony robot as well as providing wider applications of related key techniques. In summary, the project is not only of important scientific significance, but also of important social and economic significance.

人-机-环境共融的机器人是当前机器人领域的研究前沿和热点，而生机电一体化的灵巧操作假肢则是当前人机共融型机器人的重要研究内容之一。本项目面向生机电一体化灵巧操作假肢开展共融机器人共性的基础理论与关键技术研究。包括：（1）基于生物信号的动作意图理解。（2）力触觉等多模态感知信息的获取。（3）力触觉多模态感知信息的反馈。（4）多感知增强神经系统控制能力的机理。（5）基于生物信号的灵巧操作假肢协调控制方法。该项目建立的双向闭环人机自然交互接口可以为截肢患者提供更为理想的支持和帮助，为共融机器人开展更深入的理论研究和相关关键技术得到更广泛的应用奠定坚实的基础。本项目的研究不但具有重要的科学意义，更具有重要的社会和经济意义。

人机共融型机器人是国际机器人研究领域的前沿，生机电一体化灵巧操作假肢作为一种典型的集机械电子、感知交互、智能控制于一体的人机共融机器人，能重新赋予肢体残障人士切实的力触觉本体感受，让假肢真正成为人身体的一部分。本项目通过采集人体的生物电信号辨识操作者的动作意图，同时通过仿生传感器获取假肢与外界环境的作用信息，最终以电刺激和机械刺激的方式反馈给人体神经系统，实现了人对生机电一体化灵巧操作假肢的精细动作控制。.本项目围绕生机电一体化灵巧假肢在控制、感知和反馈等方面的关键技术问题，经过深入研究，在基于生物神经信号的动作意图理解、力触觉多模态感知信息的获取和反馈、基于生物神经信号的人机协调控制等方面取得了重要突破和进展，主要成果如下：1.提出了感知/机构一体化的灵巧操作假肢手设计方法，研制了融合表面肌电阵列控制、多信息融合感知、多模态反馈、多自由度协同控制的灵巧操作神经义肢，为生机电一体化灵巧假肢的多模态感知和人机协同控制提供了可靠的硬件基础。2.提出了一种自校准的实时手部和腕部连续力/手势肌电解码方法，缩短了人机校准时间，实现了截肢残疾人对假肢多个自由度的同步控制。在脑机接口研究方面，开展了基于EEG与运动意图模式之间精准鲁棒的映射模型研究，提出了基于EEG低频相位特征的手部连续运动解码方法，为基于脑电信号的假肢控制提供理论支撑。3.提出了基于环状叠层结构的高灵敏度及高分辨率柔性微应变传感单元设计方法，研制了高灵敏度集成式穿戴柔性触觉传感器，实现了假肢手对抓取物体的微接触测量。此外提出了基于微气囊阵列结构和微型绝对压力敏感元件的柔性三维力触觉传感器设计方法，研制了指尖柔性力触觉传感阵列，提升了义肢指端多模态感知的精度和分辨率。4.提出了一种可穿戴式小型无源力反馈装置构型与力触觉再现方法，揭示了磁滞效应对力反馈精确度影响的机理和规律，实现了小型装置输出大范围可控力矩，提升了残疾人的力触觉感知能力。.本项目共发表论文74篇，其中SCI收录44篇，SCI总他引159次。申请国际发明专利12件，申请中国发明专利41件，其中授权15件。2017年获得国家技术发明二等奖1项，本项目相关成果在助残义肢、科普教育和航天领域得到了应用。