上肢康复机器人舒适性与安全性关键控制问题的研究

During the training process, the upper-limb rehabilitation exoskeleton robots are vulnerable to the uncertainties such as limb spasms and nonlinear disturbances, which makes them difficult to maintain their comfort and safety. The fundamental reason is the lack of evaluation models and effective control methods. The new researches claim that the subjective and objective evaluation of human engineering to establish evaluation model can be used to evaluate the comfort and safety of man-machine system. In addition, switching control theory can be used in intelligent robotic systems to solve the robust stabilization problem of uncertain systems. From the previous work, the applicant proposed a comfort and safety control system for the upper extremity exoskeleton robot for the training process, and assumed that objective and objective factors such as pain, muscle fatigue and human-computer interaction could be used to evaluate comfort and safety. In order to prove the above assumptions, this study will establish human-computer interaction model of upper extremity exoskeleton rehabilitation robot, safety evaluation model and comfort evaluation model of exoskeleton system. In order to achieve a good effect of rehabilitation training, an exoskeleton training switching system is designed to verify the availability of the exoskeleton control system by doing simulation experiments, dummy experiments and wearable experiments, finally to improve the training of process comfort and safety of exoskeleton robots.

在康复训练过程中，上肢外骨骼式康复机器人易受到患肢痉挛等不确定项和非线性扰动等因素的影响，其稳定性、舒适性和安全性等问题难以保证，如何使上肢外骨骼式康复机器人完成多种智能训练模式，安全可靠的帮助患者完成康复训练并保证训练过程患者的舒适感，是目前临床康复发展的迫切需要。本项目以上肢外骨骼式康复机器人系统作为研究对象，建立人机交互在线辨识模型，提出多模式切换控制方法，给出训练过程的安全性与舒适性控制策略，建立评价与决策系统。最终，上肢外骨骼式康复机器人康复训练系统能够针对患者患肢的具体情况完成智慧辅助训练，达到减轻康复理疗师的任务负担，甚至在一定程度上取代康复理疗师的目的。

针对上肢康复机器人的安全性的问题，本项目研究了基于阻抗控制模型的人机交互力矩安全控制算法，结合了自适应算法解决了使用者上肢关节阻抗参数的不确定问题。并针对上肢康复机器人的舒适性的问题，研究了人机交互接口处的柔顺性并试制了柔性气垫式接触力传感器以降低使用者痛感。针对上肢康复机器人的多种训练模式，为了保证训练轨迹连续，建立了切换控制机制，在关节执行器之前设计了平均滑动滤波器以平滑关节运动曲线。针对上肢康复机器人主动训练和被动训练的训练模式，研究上肢康复机器人的被动控制策略，根据患者的实际情况设计正确的训练轨迹，研究上肢康复机器人的主动控制策略，并针对关节运动和整体运动的差异性研究适合上肢康复机器人的人体运动识别和检测技术。此外，为提高阻抗控制的自适应能力，研究上肢康复机器人的抗阻控制策略，增强患者目标肌群的肌力。最后，针对上肢康复机器人的安全性与舒适性的问题，深入研究外骨骼式上肢康复机器人的关节运动控制方法和人机交互控制方法。外骨骼式上肢康复机器人康复训练系统能够针对患者患肢的具体情况完成智慧辅助训练，达到减轻康复理疗师的任务负担，甚至在一定程度上取代康复理疗师的训练。