修复与增强人体运动能力的穿戴式机器人基础研究

This project combines with the pressing needs of wearable robotic exoskeletons in rehabilitation medical and defense security domains. Aiming at the challenging problems, that is, the robotic exoskeleton cannot move coordinately according to the wearer’s intention and rhythm so that the wearer consumes a lot of metabolic energy, and feels exhausted far from the target of repairing and enhancing wearer’s motor capabilities, this project focuses on three fundamental problems-the analysis of the law of the natural movement of human limb, the human motion intention recognition and natural interaction, and the mechanical replication of the human limb natural movement. The research contents of this project include the mechanical motion law of the human musculoskeletal system, the real time recognition of human limb motion state and motion intention, the human limb motion reduction and mechanical replicating principle, the human-robot interaction and robotic exoskeleton coordination control, and the experimental platform to verify the functions and performance of the wearable robotic exoskeleton. The objective of this project is to build up the innovational design principle and method of the wearable robot for repairing and enhancing human motor capabilities, the real time recognition of human motion intention and the theory of human-robot interaction, and to realize the scientific objectives for restoration and enhancement of human motor capabilities by engineering science. The significance of this project is that the theory results and key technologies developed in this project will be helpful to boost the development of the human-mechatronic discipline, and promote the research level of the rehabilitation engineering equipment in China.

本项目结合康复医疗和国防安全领域对穿戴式机器人外骨骼的迫切需求，针对当前国际上机器人外骨骼，无法在自然环境中按照人的运动意图和节律协调运动，导致穿戴者代谢能消耗巨大、倍感疲劳，与修复和增强穿戴者运动能力的目标相距甚远的挑战性难题，聚焦“下肢自然运动规律解析”、“运动意图识别与自然交互”和“下肢自然运动的机械复现”三个科学问题开展研究，研究内容包括：下肢在内部肌力作用下的机械运动规律，人体运动状态的在线感知与运动意图的实时识别，下肢运动降维与机械复现原理，人机自然交互与机器人外骨骼的协调控制，以及理论与方法的验证平台等。通过上述研究，建立穿戴式下肢机器人设计制造的新原理与新方法，以及运动意图实时识别方法与人机自然交互理论，实现用工程科学方法修复和增强人体运动能力的目标，促进人机电一体化交叉学科的发展，使我国智能康复工程装备乃至智能军事装备研究水平跻身于世界前列，具有重要的学术意义和应用价值。

本项目结合康复医疗和国防安全领域对穿戴式机器人外骨骼的迫切需求，针对当前国际上机器人外骨骼，无法在自然环境中按照人的运动意图和节律协调运动，导致穿戴者代谢能消耗巨大、倍感疲劳，与修复和增强穿戴者运动能力的目标相距甚远的挑战性难题，围绕肢体自然运动规律解析、运动意图识别与自然交互、肢体自然运动的机械复现等三个方面开展研究。.提出了用相关系数作为关节运动相关性的评价指标，发现了下肢关节分组耦合的协同运动规律，建立了通过缩放运动和仿射运动对下肢自然运动进行合成的原理，为下肢自然运动的机械复现提供了理论支撑。.提出了定量描述足部形态结构的方法，建立了定量衡量足部形态结构对行走代谢能影响的生物力学模型。提出了人和三种猿类的足部形态演化机理，发现了足部形态对行走代谢能消耗的影响规律。.提出了一种模仿腘绳肌肌腱功能的跨关节外肌腱布置方法，实现了对摆动相末期和站立相初期膝关节屈曲和髋关节伸展的辅助，提出了最小化生物关节力矩的外肌腱参数优化方法，有效降低了腘绳肌的激活程度(峰值下降10%)。.提出了可存储膝伸相位负功并为髋伸肌群提供运动辅助的多关节被动外骨骼设计原理，行走的代谢能可降低8.5%。提出了在髋伸阶段存储负功，并在髋屈过程释放能量的屈髋被动外骨骼设计原理。穿戴者行走和奔跑的代谢能可分别降低8.2%和9.1%，减能效果处于国际最好水平。.提出了通过负载反相运动来降低人体负重代谢能消耗的调控原理，发现了负载反相运动幅度和人体代谢消耗之间存在二次曲线变化规律，揭示了负载反相运动降低代谢能耗的机理，研究表明穿戴者负重行走的净代谢率最高可减少15.3%。.提出了膝关节全步态周期发电原理，设计了功率密度大代谢能成本低的膝关节发电装置。该发电装置具有质量最小(925g)、功率密度最大(2.22W/kg)、单位电功率所消耗的代谢功率最低(TCOH=8.2)的特点。为实现人体运动能量的回收与电能转化，提供了一种全新的途径。