穿戴式柔性下肢助力机器人发展现状及关键技术分析

穿戴式柔性下肢助力机器人技术在康复医疗、助老助残、生活起居等方面具有广阔的应用前景,具有质量轻、体积小、可穿戴性强、人机相容性好等优势.为促进我国柔性下肢助力机器人的研究和发展,总结国内外在该领域的研究进展,阐述了多种助力系统的组成、驱动原理和运动学信息等,分析了各助力系统的辅助力/矩传递规律及其助力效果.同时,对柔性下肢助力机器人所涉及的安全与可靠性、步态检测技术、驱动方式及控制策略、助力性能评估等关键技术进行了分析.在总结研究成果及分析关键技术的基础上,指出柔性下肢助力机器人今后的发展方向、研究思路和面临的挑战.对于柔性下肢助力机器人及相关的研究工作,具有一定的指导意义.

面向下肢康复的柔性外骨骼机器人进展研究

作为近年来新兴的机器人技术,柔性外骨骼结合了柔性驱动和可穿戴机构,有效解决了传统刚性外骨骼机器人重量大、顺应性差、效率低、穿戴舒适性差的问题,因此尤其适用于运动障碍患者的辅助行走及运动康复,已成为主动康复领域发展的重要方向之一。本综述聚焦下肢柔性外骨骼助行机器人近十年的创新与应用进展,收集整理了60篇目标文献,其中,线驱动50篇,气动驱动7篇,其他驱动3篇,从柔性驱动结构设计、控制方法、康复应用3个方面对相关研究进行剖析讨论。目前,柔性外骨骼主要以线驱动和位置控制研究为主,发展方向为设备轻量化,驱动柔顺化,并结合电生理信号研究和人机交互理论以期降低人体代谢。相关临床试验表明柔性外骨骼有利于患者步态的对称性增强,步速增加,更接近于正常步态。未来,柔性外骨骼机器人有望为步态障碍患者带来更好的主动康复效果和穿戴体验。

面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析

目前我国康复需求巨大,并呈现持续增长趋势,康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限,提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人,通过四根并联分布的柔索实现对使用者下肢大范围被动训练运动。建立了该机器人的运动学、静力学模型,并对柔索驱动中的滑轮摩擦力进行了建模与辨识。针对使用者的每次使用所处位置不确定的问题,提出了一种无需借助外部设备的使用者位置自主辨识方法。基于位置辨识,该机器人对使用者康复训练参数进行适应性调整,以实现精确康复策略。搭建了实验平台,通过实验验证了使用者位置自主辨识的可行性,并探究了关节力矩以及受力的规律,检验了下肢康复机器人被动训练的准确性。

下肢软质康复外骨骼机器人的模糊神经网络阻抗控制

针对脑卒中或交通意外等因素导致的运动功能障碍问题,设计了一种可用于康复训练的可穿戴式的软质膝关节外骨骼机器人.在重点介绍基于Hill肌肉模型的套索人工肌肉驱动系统设计和实时控制平台的基础上,分析了模糊神经网络阻抗控制算法的推导过程.最后,分别在定阻抗与变阻抗参数控制策略条件下,进行人机协同训练模式下的康复训练实验,并对比分析了康复外骨骼系统对受试者肌肉活性的影响.实验结果表明,定频率定幅值训练时的屈/伸扭矩分别增加了9.70%和9.06%,而变频率变幅值训练时的屈/伸扭矩提升了88.34%和57.68%.由此可知,选择符合人体生理肌肉刚度特性的阻抗模型可以改善下肢康复机器人系统的稳定性和安全性,提高人机交互的柔顺性和协调性.