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机电信息 2020年第9期 106-107,109页

作者：刘恒白泽杨陈俊宇李博皓魏俏俏扬州大学机械工程学院机械设计制造及其自动化系江苏扬州225127

康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置,穿戴于患者肢体外侧,辅助患者进行日常活动和康复训练。近年来,人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展,吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系统进行进一... 详细信息

康复外骨骼机器人是一种可穿戴的、模仿人体生理构造的医疗机械装置,穿戴于患者肢体外侧,辅助患者进行日常活动和康复训练。近年来,人工智能、传感、生物医学等先进技术不断发展,吸引了国内外各科研院所、机构对康复外骨骼系统进行进一步的研究。现阐述国内外不同控制方式的外骨骼机器人的研究现状,并对康复外骨骼机器人的发展趋势进行分析和总结。

关键词：康复外骨骼机器人现状趋势

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面向康复外骨骼机器人的肌肉疲劳辨识与柔顺控制研究

面向康复外骨骼机器人的肌肉疲劳辨识与柔顺控制研究

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作者：谷中历重庆交通大学

学位级别：硕士

随着社会老龄化进程加剧和各类事故日益高发,导致脑卒中、脊髓损伤和肢体关节损伤等运动功能障碍群体数量逐年增加,给社会带来了沉重的经济和医疗负担。持续有效的康复治疗有助于实现大脑神经可塑性和恢复日常生活运动的能力,但我国康... 详细信息

随着社会老龄化进程加剧和各类事故日益高发,导致脑卒中、脊髓损伤和肢体关节损伤等运动功能障碍群体数量逐年增加,给社会带来了沉重的经济和医疗负担。持续有效的康复治疗有助于实现大脑神经可塑性和恢复日常生活运动的能力,但我国康复医疗资源不足,康复医师人才短缺,同时又受限于治疗师的个人水平和经验,且康复训练效率低。因此,基于外骨骼机器人的康复训练备受关注,通过帮助患者执行重复性动作以达到康复训练的目的,从而减轻治疗师的工作量提高神经肌肉功能恢复的治疗效率。康复外骨骼机器人的主动康复训练模式有益于诱导患者运动积极性,但持续的肢体运动会导致肌肉疲劳,因此准确识别患者肌肉疲劳状态并及时调整训练模式对避免过度疲劳引发的二次损伤具有十分重要的意义。针对患者在康复训练过程中柔顺性、安全性的要求,引入非线性动力学系统分析方法开展肌肉疲劳状态辨识模型研究并提出柔顺控制策略框架,重点围绕肌电信号采集与预处理、疲劳非线性特征分析、肌肉疲劳高准确度辨识模型、基于Hill骨骼肌肉模型的关节刚度估计及自适应导纳控制器的设计等方面展开研究,旨在为外骨骼柔顺控制提供基于肌肉疲劳辨识的新方法和研究思路。主要研究工作如下:(1)为获取含有肌肉疲劳状态信息的数据,以坐姿状态下膝关节屈伸运动为例,开展负重训练疲劳实验,采集受试者下肢六块肌肉的sEMG信号。针对肌肉动态收缩至疲劳过程中肌电信号易受噪声干扰,且现有单一的去噪方法难以较好的滤除噪声的问题,提出了基于经验小波分解与改进小波阈值函数相结合的多重去噪方法,利用信噪比、均方根误差及波形相似系数评价了该去噪方法的有效性。(2)针对sEMG信号因其非平稳、非线性、混沌信号特征等复杂特性,导致传统时、频特征分析技术存在局限性的问题,提出一种基于多重分形降趋指数加权平均移动法(MFDEWA)的肌肉疲劳特征分析方法。首先,运用该方法对不同类型的信号进行非线性动力学分析,明确肌电信号的多重分形特征;其次,引入肌肉协同理论利用非负矩阵分解进行肌肉选择,通过包络阈值法分割活动段后再标记非疲劳态、疲劳过渡态、疲劳态三种状态,提取不同疲劳状态下的多重分性特征;最后,对所提特征进行单因素方差和相关性分析,确定了能够最佳表征肌肉疲劳状态的四种多重分形特征,并从实时性角度对比分析了多重分形特征与时域、频域以及时频域特征计算效率,为肌肉疲劳辨识模型、康复医学研究提供新的特征参考。(3)为了提升疲劳辨识准确度,提出了融合肌电信号多重分析的最优特征集,并基于门控循环单元(GRU)神经网络算法构建了肌电特征与运动疲劳状态的关系模型,同时结合蜣螂优化算法(DBO)对模型超参数进行优化。对比了几类典型分类模型分别在单特征、融合特征集和最优特征集为输入情形下的识别准确度,实验结果证明了基于融合多重分形的组合特征集的DBO-GRU模型可以有效提升肌肉疲劳辨识准确度。(4)针对患者在主动康复训练中外骨骼机器人安全柔顺辅助的康复需求,提出了一种融合人体关节刚度与疲劳信息的自适应导纳控制控制器。将利用Hill骨骼肌肉模型估计的人体关节刚度与辨识出的疲劳状态用于调节导纳控制器的参数以实现人机交互的柔顺性与安全性,最后基于Matlab/Simulink联合仿真开展所提方法可行性和有效性验证研究。

关键词：康复外骨骼机器人表面肌电信号肌肉疲劳辨识柔顺控制多重分形

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浅析轻量化自助式康复外骨骼机器人设计的可行性

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工业设计 2020年第10期 29-30页

作者：王楚鑫河北环境工程学院河北秦皇岛066000

下肢康复机器人能够有效地帮助肢体运动障碍患者进行康复治疗,而轻量化自助式康复外骨骼机器人可以帮助下肢残障患者进行居家康复训练。本文着重分析了轻量化自助式康复外骨骼机器人设计的可行性,结果表明该机器人能够满足人体行走的关... 详细信息

下肢康复机器人能够有效地帮助肢体运动障碍患者进行康复治疗,而轻量化自助式康复外骨骼机器人可以帮助下肢残障患者进行居家康复训练。本文着重分析了轻量化自助式康复外骨骼机器人设计的可行性,结果表明该机器人能够满足人体行走的关节力矩需求,并且关节运动轨迹与人体基本一致。根据该外骨骼机器人模型的设计和可行性分析,希望为今后外骨骼机器人的设计与优化提供参考。

关键词：轻量化自助式康复外骨骼机器人可行性

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基于稳定阈度分析的外骨骼动态步长规划方法

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仪器仪表学报 2017年第3期38卷 523-529页

作者：陈春杰张邵敏王灿吴桂忠吴新宇中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055 中国科学院大学深圳先进技术学院深圳518055

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程... 详细信息

在医疗领域,康复外骨骼机器人能够帮助下肢瘫痪的患者重新行走,因此得到广泛的关注。由于下肢截瘫患者身体的特殊性,针对该类患者使用的外骨骼机器人大多使用拐杖作为平衡辅助工具。在固定步长的情况下,不同的拐杖支撑点位置,会很大程度影响步行稳定阈度。通过分析穿戴者拄拐步态所形成的多边形支撑面,利用零力矩点(ZMP)理论计算相应的压力中心位置,从而得到四足步态的稳定阈度表达式;并在此基础上提出动态调整步长的方法,得到拐杖支撑点与步长的拟合曲面,对步长进行实时、适当调整;最后通过外骨骼机器人的运动学模型,规划相应的步态轨迹。通过在课题组自主研发的外骨骼机器人样机上进行大量对比实验,证明了在每个步态周期中,针对不同的拐杖支撑位置,提出的方法可以有效增加系统步态的稳定阈度,降低拐杖支撑点的随机性对系统稳定性的影响。

关键词：康复外骨骼机器人步态规划四足步态

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基于改进FABRIK算法和虚拟现实的上肢康复训练系统

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作者：徐俊鑫南昌大学

学位级别：硕士

随着中国人口老龄化进程的加剧,康复需求增长迅速,但康复治疗师从业人数不足。近年来,机器人辅助疗法在康复治疗中具有巨大潜力。本文提出并实现了一种将康复外骨骼机器人与虚拟现实相融合的康复训练系统。该康复训练系统能够实现个性... 详细信息

随着中国人口老龄化进程的加剧,康复需求增长迅速,但康复治疗师从业人数不足。近年来,机器人辅助疗法在康复治疗中具有巨大潜力。本文提出并实现了一种将康复外骨骼机器人与虚拟现实相融合的康复训练系统。该康复训练系统能够实现个性化的上肢康复训练。医生可以随时设定康复外骨骼机器人的末端运动轨迹,系统实时进行机器人逆运动学解算,计算出康复外骨骼机器人每个关节的角度,自主设计的康复外骨骼机器人以此为命令信号,控制康复外骨骼机器人按照设定的轨迹带动患者上肢进行康复训练。为了实现高效沉浸式的人机互动,提高患者康复训练积极性,论文还开发了虚拟现实视觉反馈游戏辅助患者康复训练。论文的研究内容主要包括:论文设计了一个康复外骨骼机器人,主要分析了上肢康复外骨骼机器人的机械结构、工作空间和控制系统。上肢康复外骨骼机器人由一个主体部分和若干活动部件组成,使用铝合金作为主要材料。设计包括肩关节、肘关节和腕关节的机构。通过蒙特卡洛法分析工作空间,结果显示康复外骨骼机器人的工作空间可以满足偏瘫患者的上肢运动康复任务。控制系统采用位置转速电流三闭环PI控制,结合轨迹规划实现关节运动的实时轨迹控制。为了实现实时调整康复训练轨迹,系统实时对设定的康复外骨骼机器人的末端运动轨迹进行解算,本文提出了一种改进的FABRIK算法,该算法对康复外骨骼机器人上臂的平行四边形结构和下臂的直角结构进行抽象化,形成两个抽象连杆。对抽象连杆使用改进的FABRIK算法进行迭代计算得出抽象连杆的姿态。再由抽象连杆的欧拉角计算得出康复外骨骼机器人各个关节所需要的角度。改进的FABRIK算法在逆运动学求解方面具有精度高和求解速度快的优势,适用于运动轨迹实时变化的场景。跟随任务的仿真实验中可以在3.6ms内计算出关节角度值,末端位置与目标位置距离的平均值为0.064mm。为了让患者更加自然、灵活地与机器人互动,以及得到及时的反馈并提高患者康复训练积极性,论文还开发了虚拟现实视觉反馈游戏辅助患者康复训练。设计了一种认知康复游戏,来辅助患者进行康复训练。这个游戏设计了认知康复的关卡,把常见动物制作成剪影,让患者根据剪影猜测它们是什么动物。这样,不仅能让患者的认知能力得到提升,还能诱导患者进行上肢运动做出选择。本研究提出了一种康复训练系统,将康复外骨骼机器人、虚拟现实场景和改进的FABRIK算法结合起来,为患者提供个性化、沉浸式的上肢康复训练体验。我们设计了康复外骨骼机器人的机械结构、工作空间和控制系统,使用改进的FABRIK算法实现实时康复轨迹调整。此外,我们还开发了认知康复游戏,让患者在玩游戏的同时进行康复训练,提高了患者的认知能力和康复效果。这项研究为机器人辅助康复治疗带来了新的思路。

关键词：康复外骨骼机器人虚拟现实游戏改进的FABRIK算法康复训练系统

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基于生物与物理感知反馈的康复外骨骼人机交互技术及应用

基于生物与物理感知反馈的康复外骨骼人机交互技术及应用

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作者：段声才中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)

学位级别：硕士

中国现有大量肢体运动障碍的特殊人群,其中截瘫患者的下肢丧失运动能力和本体感知能力。中国人口老龄化将进一步增加下肢运动障碍人群的数量,针对这类特殊人群的康复和护理问题变得日益突出。下肢康复外骨骼机器人已经发展成一种有效的... 详细信息

中国现有大量肢体运动障碍的特殊人群,其中截瘫患者的下肢丧失运动能力和本体感知能力。中国人口老龄化将进一步增加下肢运动障碍人群的数量,针对这类特殊人群的康复和护理问题变得日益突出。下肢康复外骨骼机器人已经发展成一种有效的辅助康复设备,能够帮助截瘫患者独立生活和工作。下肢康复外骨骼系统是人机协同的智能系统,一方面需要感知穿戴者的运动意图以获取控制指令,另一方面需要传递给穿戴者必要的机器的物理状态反馈以弥补穿戴者下肢缺失的本体感觉。传统外骨骼需要穿戴者通过操作物理按键控制外骨骼来带动肢体完成康复或辅助运动任务。这种人机交互方式没有充分利用人体的主动神经信号,为了提高外骨骼系统的神经康复效果,基于人体生理信号（如表面肌电信号和脑电信号）的主动运动意图识别的人机交互控制方法正在成为主流,但是运动意图识别的准确性和稳定性仍是研究的热点和难点。另一方面,大多数现有下肢外骨骼系统只有穿戴者到外骨骼机器人的前馈控制通道,缺少从外骨骼到穿戴者的机器物理状态反馈通道,未能形成具有本体感知反馈的人机闭环运动系统。本文将从人机交互的角度,在完成基于生理信号的运动意图识别的基础上,进一步基于表面肌电信号感知量化人体生理状态和基于关节角度识别外骨骼的运动状态,最终构建基于生理信号和电触觉反馈的穿戴者欭外骨骼双向人机交互范式。主要包括:欨欱欩针对现有基于脑电信号的运动意图识别准确率低的问题,利用人体自然直观和具有隐蔽性的交互方式欭触觉感知的方式来增强用户运动想象的脑电特征,提高基于脑电信号的运动意图识别的实用效果。设计并实现了一种融合视觉和触觉同步诱导运动想象的脑机训练方法,并成功应用于下肢康复外骨骼机器人走停任务等场景。欨欲欩针对下肢康复外骨骼系统的人机协作任务,提出基于表面肌电信号的肌肉动态收缩疲劳量化方法,使得肌肉疲劳的状况直观表达,更具有可量化性,并通过疲劳实验和外骨骼实验验证了方法有效性,助力开发更加符合人体工学设计的康复外骨骼系统。欨欳欩针对现有下肢外骨骼系统缺少到人体的必要反馈的问题,提出基于表面肌电信号接口和电触觉反馈的穿戴者欭外骨骼人机交互范式。该范式下的康复外骨骼系统不仅可以将截瘫患者的运动意图传达给外骨骼,还可以利用电触觉将肌肉疲劳信息和外骨骼物理状态反馈给截瘫患者的感觉皮肤。本研究完成的基于生理信号和电触觉反馈的穿戴者欭外骨骼人机交互范式建立了“人在回路”的状态感知和刺激反馈回路,提高了在线运动意图识别的有效性,增强了现有康复系统的人机耦合性,为康复外骨骼机器人领域的研究提供了一种新的人机交互思路。

关键词：康复外骨骼机器人运动意图识别运动想象表面肌电信号肌肉疲劳电触觉感知反馈

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