多构态共融手部康复外骨骼机器人的运动相容优化设计与控制方法研究
批准号:
62103412
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
李国涛
依托单位:
学科分类:
机器人学与智能系统
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
李国涛
中文摘要
手部是脑卒中患者最难康复的部位之一,手部康复机器人是进行手功能康复训练的重要途径。但是目前手部康复外骨骼机器人一般仅具有单个构态,不能根据手部康复训练需求来切换运动模式,并且不能实现与人共融,极大地限制了其穿戴舒适性和康复效果。本项目拟从以下几个方面开展手部共融外骨骼机器人的关键技术研究:(1)引入恰约束运动链,研究多构态手部康复外骨骼机器人的运动相容机构设计方法,以解决手部康复外骨骼运动模式单一、运动相容性差等技术瓶颈问题;(2)研究多构态共融手部康复外骨骼机器人的建模、性能评价与优化方法,以优化手部外骨骼机器人的穿戴性能;(3)研究基于人机耦合动力学模型的手部康复外骨骼机器人的主被动控制方法,以提高该外骨骼机器人的控制性能。最后,进行手部康复外骨骼机器人的研制与实验,验证手部康复外骨骼机器人的有效性。因此,研究面向手功能康复辅助的共融手部外骨骼机器人具有重要理论意义和应用价值。
英文摘要
Hand is one of the most difficult parts for stroke patients to recover, and hand rehabilitation robot is an important way for hand function rehabilitation training. However, the present hand rehabilitation exoskeleton robots usually only have a single configuration. They can't switch the motion mode according to the requirements of hand rehabilitation training and can't achieve harmony with people, which greatly limits its wearing comfort and rehabilitation effect. This project proposes to study the key technology of coexisting-cooperative-cognitive (tri-co) hand rehabilitation exoskeleton robot from the following aspects: (1) by introducing kinematic chains with suitable constraint, study kinematic compatible mechanism design method of the multi-configuration hand exoskeleton robot to solve the technical bottleneck problems of hand rehabilitation exoskeleton, such as single movement mode and poor kinematic compatibility; (2) study the modeling, performance evaluation and optimization methods of the multi-configuration tri-co hand exoskeleton to optimize the wearing performance of the hand exoskeleton robot; (3) study the active and passive control methods of the tri-co hand rehabilitation exoskeleton robot based on human-machine coupling dynamic model to improve the control performance of the exoskeleton robot. Finally, the development and experiment of the hand rehabilitation exoskeleton robot are carried out to verify the effectiveness of the hand rehabilitation exoskeleton robot. Therefore, it is of great theoretical significance and application value to study the tri-co hand rehabilitation exoskeleton robot.
目前手部外骨骼不能满足手部康复训练需求,不能实现与人共融,极大地限制了穿戴舒适性和康复效果。本项目从康复实际需求出发,分别从食指外骨骼的设计与分析、性能优化、拇指外骨骼设计与分析方面开展了手部共融外骨骼机器人的关键技术研究。考虑人手关节的瞬变属性和差异性,提出了一种基于轴线自适应空间机构的食指外骨骼方案,可实现对关节位置变动的自适应,并完成食指的屈曲伸展和内收外展运动辅助,与最先进的外骨骼相比,该外骨骼的标准反作用力方差和降低了65.8%,提高了其穿戴舒适性。提出了一种球面连杆机构的自适应拇指外骨骼机器,可实现拇指的三自由度精细运动辅助,具有轴线自对齐能力,切向交互作用力降低了降低76.8%。提出了一种基于双层非平行弹簧结构的仿生可穿戴柔性手指外骨骼,与平行手指相比,非平行手指的刚度和负载质量比分别提高了63.8%和147%,分析了柔性非平行手指的刚度,得到了斜率大小对手指刚度的影响,考虑摩擦和指尖外力,提出了柔性手指的变曲率运动学模型,并完成了实验验证。提出了一种外骨骼的局部/全局运动学和动力学可操作度描述方法,揭示了外骨骼机构的尺度参数对可操作度的分布的影响规律,与最小值对比,全局运动学和动力学可操作度指标可以提升13%以上,提出了一种多参数多目标优化设计方法,完成了食指外骨骼机构的多参数优化设计。提出了一种基于阿基米德螺旋弹簧的柔性执行/传感器,实现了食指MCP关节的两自由度独立驱动,辅助食指完成了精细运动辅助。基于阿基米德螺旋弹簧特性,设计基于长短记忆神经网络的外骨骼关节与人手关节力矩估计方法。基于关节力矩的感知,设计了一种外骨骼的柔顺运动辅助控制器,突破了人手关节力感知缺失的难题,更加精准有效地提供精细辅助。完成论文15篇,包括SCI/EI期刊论文11篇和会议论文4篇,申请专利3篇。获得IEEE ROBIO国际会议Finalist of T.J. Tarn Best Paper Award in Robotics、可穿戴计算学术会议最佳论文奖、全球大学生创新挑战赛Best Poster Award、软体机器人创新设计竞赛海报展示三等奖。
人机相容腕手外骨骼的正交力矩融合感知与主动柔顺协同交互控制研究
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批准号:62473365
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项目类别:面上项目
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资助金额:50.00万元
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批准年份:2024
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负责人:李国涛
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依托单位:
国内基金
海外基金