基于最优训练路径的上肢康复机器人结构设计方法研究

The application of robotics to healthy care is an inevitable trend of the robot industry development. However, due to the structural limitations of the existing rehabilitation robots, there are some problems in the process of patients' rehabilitation, such as the low comfortableness and the unsatisfactory effect. For this reason, this project main studied four aspects, they are as follows:(1) According to the movement characteristics and the movable boundary of the musculoskeletal system of human upper limb in different stages of rehabilitation, the optimal programming method of rehabilitation training path is obtained.(2) Based on the five-bar mechanism, a design method of end-guided rehabilitation robot is proposed. Because the five-bar mechanism can generate a complex path, the deficiencies of existing rehabilitation robotics can be overcome.(3) A design method for rehabilitative robot of the musculoskeletal system of human upper limb is presented. Since the geometric flexibility of tensegrity mechanism, the discomfort of the patients can be decrease in the process of rehabilitation.(4) The assessment method and prediction method of upper limb rehabilitation are present in this project. The path selection method for optimal rehabilitation training is proposed. Then the best matching between the rehabilitation training path and the rehabilitation effect is realized. Based on the theoretical results, the human upper limb rehabilitative robot system is established. The effectiveness of the method is proved by training the human upper limb of patients using the system. This project can provide theoretical reference and technical support for structural design of rehabilitative robot and "man-machine communion".

机器人应用于康复保健领域是机器人产业发展的必然趋势，但目前康复机器人由于结构的局限，导致患者康复过程中存在康复舒适性差和康复效果不佳的问题。对此问题，项目拟开展4方面研究：①通过人体上肢肌肉骨骼在不同康复阶段运动特性和可动边界分析，给出上肢康复训练路径规划方法；②研究基于五杆机构的末端导引式康复机器人结构设计方法，利用五杆机构轨迹多样的特点克服现有康复机器人训练路径简单造成康复效果不佳的缺陷；③研究上肢可穿戴式康复机器人结构设计方法，利用张拉机构具有几何柔性的特点降低康复训练过程中由于机器人与患者之间运动不匹配给患者带来的不适；④探究上肢康复程度评估和预测方法，提出康复训练路径筛选方法，达到康复训练路径与患者康复程度的最优匹配。基于理论成果，集成开发上肢康复机器人系统，通过对患者上肢进行康复训练，验证提出方法的有效性。项目的研究将为康复机器人结构设计及“人机共融”提供理论参考和技术支持。

机器人应用于康复保健领域是机器人产业发展的必然趋势，上肢康复机器人的设计与开发能够对偏瘫患者所处的不同阶段提供不同训练强度、不同训练模式的康复训练，激发患者主动参与意识，增强患者康复信心和康复决心，促进医学、工学资源优势互补，具有广泛的应用价值。. 在本项目的支持下，我们进行了如下几个方面研究与探讨：（1）提出一种基于五杆机构的末端导引康复机器人结构设计方法，实现了对上肢手臂康复训练路径特征参数的提取；（2）基于张拉整体结构提出一种新的具有一定适应性的上肢仿生外骨骼机器人结构设计方法，使机器人关节在不可预测的环境中工作，又满足对功能灵活性和结构适应性的特征需求；（3）提出一种以绳索传动为主，“绳索+齿形带”的广义绳索驱动结构设计方法，结构采用绳索驱动，串并联相结合的方式实现脑卒中偏瘫患者的中期半主动康复训练和后期主动康复训练；（4）基于腕关节柔性并联机构支撑弹簧具有侧向弯曲特性，提出了一种有限转动张量和力与力矩平衡方程相结合的方法，构建了系统动力学模型，分析了并联机构运动学与静力学特性。（4）提出一种五自由度上肢康复机器人结构设计方法，解决了传统上肢康复机器人缺少肩关节冠状面内收/外展运动，或进行该运动时需要多个关节配合完成的问题。（5）提出一种基于置信规则库（belief rule base，BRB）的脑卒中患者上肢康复评估方法，通过提取脑卒中患者不同康复阶段的上肢运动特征，融合专家知识建立基于BRB的脑卒中患者的上肢康复状态评估模型。基于项目理论成果分别设计开发了四款上肢康复机器人，并进行了相关应用实验验证。. 在基金的支持下，出版学术专著2部，发表学术论文28篇；授权发明专利1件、实用新型专利6件，申请发明专利13件、申请实用新型专利2件；获得吉林省科学技术奖二等奖1项，中国自动化学会自然科学奖二等奖1项，吉林省自然科学奖三等奖1项；培养博士研究生4名，硕士研究生5名。完成了预期的研究任务。