《第三代可穿戴式下肢康复用外骨骼机器人》

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我国行走不便者数量比较大并呈逐年上升的趋势,其中主要包括偏瘫、截瘫病人以及行走不便的老人,针对他们的康复设备越来越受到人们关注。但目前普遍使用的康复设备,仍有以下几个不足之处:很多康复设备在使用中需要多个看护人员协作,用人力帮助病患摆动肢体,费时费力;很多设备对病患使用过程中的生理状态缺乏跟踪,病患的身体情况千差万别,有些偏瘫患者在康复训练中难以维持平衡;某些复杂设备的准备时间极长,缺乏效率,维护成本很高;现有康复手段对场地和环境要求很高。一、系统组成(一)机器人本体下肢助行外骨骼机器人由两大部分组成,主体结构和辅助设备。主体结构为“穿戴”在人体身上的外骨骼机械结构。主体结构有6个关节,共具有10个自由度,背部固定有控制装置以及电源系统。机器人整体结构紧凑轻巧,结构设计合理。机器人本体重量将由本身承担,不会对穿戴者造成负担。(二)传感与控制系统下肢外骨骼机器人具备安全可靠的行走步态控制技术。首先通过各类传感器,对机器人的步态稳态、动态进行精确的判断。由于机器人与人体相当于两个相连的独立转动系统,需要采用阻抗控制来强化机器人对人体关节运动的增益作用,同时遏制机器人对人体关节运动的阻碍作用。最后,通过路径控制器实现机器人的轨迹跟踪,从而建立完整的闭环控制结构。(三)智能拐杖智能拐杖是下肢外骨骼机器人的智能辅助设备,通过智能拐杖的辅助功能,能够实现对截瘫病人的辅助行走,是实现康复外骨骼四足步态的关键部分,用来辅助整个系统保持平衡;通过智能拐杖的跌倒检测和通讯设备,在使用者摔倒或出现意外情况时,能够及时发出声光报警,并通知家里其他人。同时智能拐杖还融合了无线传感器网络,能够实现对家居环境的智能控制。 (四)肌电控制和脑机接口为了使穿戴者与机器人有更好的交互性,系统扩展了肌电和脑电控制接口。首先主控制器通过EMG和EEG传感器采集穿戴者的脑电以及肌肉力信号,接着主控制器通过模式识别算法判断穿戴者的行走意图,主控制器会结合角度传感器来判断机器人行走状态和机器运行状态,主控制系统会综合运行状态和传感器信息来控制机器人运动。二、关键技术研究1.优化的动力学结构分析:驱动结构的优化,提高输出效率,减小结构尺寸和重量。2.基于人机工程学和人体仿生学的结构设计:根据人体的行走步态进行分析,并结合人体工程学,增加使用者的舒适度。3.欠驱动机构设计:实现膝关节和髋关节的主动运动,并实现踝关节和髋关节的被动随动,减少对人体运动的限制;使用可调节尺寸结构设计,提高对不同体型的使用者的适应能力。4.模块化驱动单元设计:关键单元的模块化设计,方便拆卸组装。5.智能拐杖设计:智能拐杖可以对行走步态进行控制,并具有跌倒检测、碰撞检测以及声光报警、远程通讯报警等功能。6.低功耗、小体积的控制系统:硬件架构从底层做起,掌握硬件的底层核心,并在运行同样复杂的算法时以低功耗、小体积的控制电路作为载体。7.具有自学习自适应能力的控制算法:针对该机器人的每一个使用者,学习出一套最适应该使用者行走习惯的运动模式。8.电池的续航能力:使用在同样体积与重量的情况下容量更大的电池作为该机器人的移动电源。9.脑机结合和肌电控制:通过脑电和肌电来让穿戴者和机器人更好地配合行走。

成果说明

下肢助行外骨骼机器人作为人机融合的一种高端智能系统,既可以对健康者进行行走助力,又可对下肢功能障碍人士进行助行、康复训练等,其具有助力助行效率高、控制方式多样、可电池供电、穿戴简便省时省力以及康复训练可因地制宜等多个优势,在中国将具有广泛的应用前景和大的市场需求。

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