基于CPG控制的台架式仿生下肢外骨骼康复机器人系统研究

Based on the in-depth investigation of the state-of-the-art of lower-limb rehabilitation robots, bionic mechanical design is regarded as the key issue in this field. Two aspects including bionic mechanism design and multi sensor information fusion are primarily considered. In this application, we especially focus on building a bionic lower-limb exoskeleton rehabilitation robot system based on multi sensor information. In view of the existing rehabilitation robot, the human knee joint coupling movement is ignored and simplified design results in discomfort to the patients in rehabilitation training. Thus, a new type of bionic knee joint of the lower-limb exoskeleton robot is presented. This design makes the exoskeleton accurately simulate the human knee joint’s complex movement in the sagittal plane. In addition, the hip, ankle and foot are also with innovative design. A complete lower-limb exoskeleton will be formed finally and experiments will be done on the rehabilitation platform. This system will theoretically provide the basis of reliable, highly efficient and scientific rehabilitation training strategy. Through the study of the subject, we will validate the effectiveness of the proposed theory of bionic knee joint design and the rehabilitation strategy based on multi sensor information, and reveals the intrinsic relationship between the rehabilitation results and the performance of the exoskeleton mechanism as well as the level of human participation. With the novel theoretical methods and technologies used, this study will promote the research and development on rehabilitation engineering, bionic robot control, and other related disciplines.

深入分析下肢外骨骼康复机器人领域的研究现状，针对现有下肢外骨骼康复机器人机构设计的关键问题，从仿生机构设计和多传感信息融合两个方面入手，重点突破康复机器人仿生机构设计的壁垒，设计一套多传感信息的仿生下肢外骨骼康复机器人系统。该系统针对现有康复机器人忽略人体膝关节复杂耦合运动、简化设计从而在康复过程中给患者造成不适的问题，提出了一种新型的具有仿生膝关节的下肢外骨骼机器人，使得外骨骼能够精确模拟人体膝关节在矢状平面内的复杂运动。此外，本课题还将针对髋关节、踝关节、足底等进行创新性设计；并最终构建完整的下肢外骨骼机器人，搭建下肢康复平台，进行系统的康复实验，为下肢运动功能障碍患者高效、稳定、科学地康复训练提供理论依据。通过本课题的研究，验证所提出的仿生膝关节设计理念和基于多传感信息的康复策略的有效性，揭示康复训练中机构性能和康复效果的内在联系，为下肢外骨骼康复机器人研究提供新的理论方法和关键技术，并推动相关学科的研究和发展。

课题深入分析了下肢外骨骼康复机器人领域的研究现状，基于生理学理论的最新研究成果提出了一种新型的仿生下肢机构模型，并基于该模型，设计了一套台架式仿生下肢外骨骼康复机器人系统。该系统针对现有下肢外骨骼康复机器人忽略人体膝关节的复杂耦合运动、为求简化将膝关节简单处理成一个纯旋转关节从而造成外骨骼和人体之间的膝关节轴线发生偏离，继而在康复训练过程中给患者带来不适的问题，设计了一种基于串并联机构的3-DOF仿生膝关节下肢外骨骼机器人，使得外骨骼能够精确模拟人体膝关节在矢状平面内的复杂运动。该机器人单腿共有3个主动自由度和1个被动自由度，其中髋关节为1个主动自由度，膝关节为2个主动自由度，踝关节为1个被动自由度。.课题首先对设计的下肢外骨骼机构进行了运动学分析和基于MATLAB-ADAMS的联合仿真，然后研制了仿生下肢外骨骼康复机器人单腿机构本体、足底压力检测系统、扶手台架、减重台架、和相应的控制系统形成样机。在完成了单腿样机的空载运动实验以后，为了验证样机的运动性能和康复效果，课题组利用跑步机进行了健康人穿戴外骨骼机器人样机的运动实验，并和常规的将膝关节处理成纯旋转运动的2-DOF外骨骼机器人样机进行了穿戴舒适性感受比较。实验结果表明研制的膝关节并联机构使得外骨骼机器人的运动能够很好吻合于人体膝关节的运动，避免了机器人对人体膝关节施加额外作用力造成对患者的伤害，实验结果还表明该样机可以给穿戴者提供更加舒适的康复体验。.由于在仿生方面的创新性设计，本课题的研究成果被美国科学促进会旗下的全球新闻互联网、美国世界科技研究新闻资讯网、阿尔法伽利略网等多个国际知名科技网站和国内雷锋网，今日头条等进行了报道。目前课题组成员在该课题的资助下共发表SCI检索的国际期刊论文3篇，EI检索的论文5篇，中文期刊论文1篇，在投国际会议论文3篇；授权发明专利1项，申请受理发明专利3项；项目共培养博士生3名，硕士生5名。