沈陽自動化所柔性外骨骼機(jī)器人研究取得新進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所科研人員面向手部康復(fù)，設(shè)計了一種具有靈巧操作能力的柔性手部外骨骼機(jī)器人;面向下肢助力，提出了一種新的非時間域助力控制方法。上述研究論文被機(jī)器人領(lǐng)域國際期刊IEEE Transactions on Robotics(T-RO)刊載。

柔性外骨骼機(jī)器人作為新興的智能運(yùn)動輔助設(shè)備，可穿戴在人的身體上，輔助人體運(yùn)動，為失能或半失能人群提供一種智能化的康復(fù)訓(xùn)練新模式。與傳統(tǒng)的剛性外骨骼機(jī)器人相比，柔性外骨骼機(jī)器人具有本體輕質(zhì)、穿戴舒適、穿脫方便等優(yōu)勢。然而，柔性外骨骼機(jī)器人與人同體的緊密作業(yè)方式，以及柔性材質(zhì)低帶寬的原生缺陷，使其對機(jī)器人集成技術(shù)、人機(jī)交互控制方法提出了挑戰(zhàn)。

手部康復(fù)是卒中患者康復(fù)亟需的也是最難的階段。目前的柔性手部外骨骼機(jī)器人只能實(shí)現(xiàn)簡單的抓握輔助，通常無法恢復(fù)人體手部運(yùn)動的靈巧性。沈陽自動化所科研人員設(shè)計了一種具有完全拇指運(yùn)動功能的柔性手部外骨骼機(jī)器人，可提升腦卒中患者手部的靈活性。科研人員在對人體骨骼肌肉驅(qū)動機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化混合驅(qū)動配置，以最少的驅(qū)動器數(shù)量實(shí)現(xiàn)人手拇指三維運(yùn)動，輔助中風(fēng)患者完成拇指環(huán)、抓、捏、松、寫等各種訓(xùn)練任務(wù)，改善了運(yùn)動姿態(tài)，極大提升了指尖力水平，為患者實(shí)現(xiàn)正常生活提供了可能。

站立行走功能是人生活自理功能的必要條件。針對目前柔性下肢外骨骼機(jī)器人無法適應(yīng)不同人體步態(tài)、步速、步頻等問題，科研人員提出了一種可持續(xù)融合小腿擺角與足壓信息的狀態(tài)域助力控制方法。該方法利用高斯模型在線擬合人體站立相的小腿擺角與足壓數(shù)據(jù)，生成與穿戴者運(yùn)動狀態(tài)連續(xù)對應(yīng)的助力曲線，保證機(jī)器人對急停、急變速等人體運(yùn)動任務(wù)的高適應(yīng)性與順應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)表明，該方法縮短了穿戴者對外骨骼機(jī)器人的適應(yīng)時間，降低了人體能量消耗，實(shí)現(xiàn)了穿戴者對機(jī)器人助力模式的自主、連續(xù)、隨意控制。IEEE Transactions on Robotics(T-RO)審稿專家認(rèn)為該方法是一種“可根本性解決目前外骨骼機(jī)器人控制系統(tǒng)時域依賴性問題的技術(shù)途徑”。

團(tuán)隊(duì)在外骨骼機(jī)器人、腦肌電信號解碼與智能人機(jī)交互等研究領(lǐng)域深耕多年，已研制出面向老年人、患者人群的多類康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)平臺，研究成果先后發(fā)表于 IEEE Trans. NSRE，IEEE Trans. ASE，IEEE Trans. SMC等國際知名期刊。以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃等項(xiàng)目的支持。(機(jī)器人學(xué)研究室)