基于人体关节模型的顺应康复外骨骼设计和控制

Physical therapy which facilitates to rebuild/reconnect human neuromuscular systems plays a crucial part in the rehabilitation process for people with motor function injuries. Robot-/machine-aided therapy which allows for effective and efficient training can greatly alleviate the workload and intensity of therapists and reduce the medical costs involved in rehabilitation. Targeted for improving the human-machine compliance and cooperation in robot-aided therapy, the proposed research focuses on the key studies for developing rehabilitative exoskeleton systems. ..Human joints are the essential components forming human motions. Therefore, the understanding on both the structures and motion patterns of the joints is the key for developing exoskeletons that adapt to and cooperate closely with human wearers. This proposal aims at developing new design criteria and control methods for rehabilitative exoskeletons to achieve better human-machine compliance by constructing models that precisely characterize and render the motion patterns of different human joints. By studying the coordination and load distributions among the limbs of a human body, the design methods for developing a full-body exoskeleton facilitating systematic and comprehensive rehabilitations will be established; and techniques for building sensing and actuator systems which allows for real-time parameter monitoring and compliance control will be developed. The proposed studies are expected to contribute on systematically formulating human motions and developing design and control methods for adaptable exoskeletons for rehabilitation.

物理康复训练可以帮助运动功能损伤患者进行神经再生或重建，对于患者运动功能的恢复有着非常重要的作用。为实现科学高效的机器辅助训练并减少康复过程中的医疗人员和资源，本课题将围绕人机顺应开展康复外骨骼机器人研究。. 关节是人体运动的基础，对其结构和运动特征的深入认知是实现康复外骨骼对人体运动高度顺应以及人机融合的前提。因此，本课题将通过对人体主要关节的结构和运动特性分析以及对不同关节的共性总结，提出高度顺应人体关节运动的外骨骼设计和控制方法，并以此为基础，通过研究人体运动多肢体协同和负载分配规律，实现以全身型康复外骨骼为中心的系统康复训练，并更好解决训练过程中外骨骼驱动顺应控制和人体参数在线测量等核心问题。本课题的研究将为实现人体结构和运动精确的数学表达，发展基于智能体模的人性化机械-传感-驱动一体化设计和顺应控制方法，并形成具有更好人机相容性的外骨骼康复装备做出贡献。

物理康复训练能帮助运动功能损伤患者进行神经再生或重建，有助于患者运动功能的恢复。为实现科学高效的机器辅助训练并减少康复过程中的医疗人员和资源，本项目围绕人机顺应开展康复外骨骼机器人研究，旨在通过对人体主要关节的结构和运动特性分析及对不同关节的共性总结，实现人体结构和运动精确的数学表达，发展人性化机械-传感-驱动一体化设计和顺应控制方法，并形成具有更好人机相容性的外骨骼康复装备。.该项目在人体关节建模、感知与重构，非对称外骨骼设计、驱动控制及智能化康复策略等关键问题上取得了突破。提出了基于外部有限测量观测人体内部力位信息的方法，建立了关节特征通用化、参数化表达理论。基于关节模型提出了仿生顺应式外骨骼关节设计。提出基于人机闭合运动链的人体关节运动观测方法，开发融合磁场的嵌入式运动测量系统，实现了人体运动/力状态和运动意图的实时感知。设计了面向中风康复的非对称外骨骼（躯干及下肢），提出了基于机器学习的步态康复智能进化策略，通过测量健肢运动，指导患侧外骨骼在不同步态相位分别实现支撑和顺应，以促进递进式步态康复。为实现患侧肢体受电刺激自主运动，辅助外骨骼驱动，发展了电流干涉扫描方法，实现非侵入靶向电刺激。研制了坐到站运动辅助装置和康复外骨骼系统；搭建了基于磁场传感的分布式位移、力、阻抗测量重构平台和虚拟现实训练场景；研究了基于机器视觉的步态识别与评价方法，建立了可用于下肢康复外骨骼康复效果评价的步态识别体系。该系统有效克服了过度简化的关节设计在人机关节错位时造成人体不适和伤害的局限，可支撑44%的体重并减少人体髋、膝、踝25%以上的关节内力、力矩峰值，并用于中风康复的临床实验。