中科院：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(dòng)化研究所（以下簡稱沈陽自動(dòng)化所）科研人員面向手部康復(fù)，設(shè)計(jì)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(shí)間域助力控制方法。相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)機(jī)器人匯刊》（IEEE Transactions on Robotics，簡稱T-RO）。

據(jù)了解，柔性外骨骼機(jī)器人作為新興的智能運(yùn)動(dòng)輔助設(shè)備，可穿戴在人的身體上，輔助人體運(yùn)動(dòng)，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(shì)。

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(duì)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(dòng)的靈巧性。

為此，沈陽自動(dòng)化所科研人員設(shè)計(jì)了一種具有完全拇指運(yùn)動(dòng)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(duì)人體骨骼肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化混合驅(qū)動(dòng)配置，以最少的驅(qū)動(dòng)器數(shù)量實(shí)現(xiàn)人手拇指三維運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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。

A：上肢柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng) B：人體骨骼肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)理 C:軟體手部外骨骼機(jī)器人（沈陽自動(dòng)化所 供圖）

站立行走功能是人生活自理功能的必要條件。針對(duì)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，沈陽自動(dòng)化所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(dòng)狀態(tài)連續(xù)對(duì)應(yīng)的助力曲線，保證機(jī)器人對(duì)急停、急變速等人體運(yùn)動(dòng)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(duì)外骨骼機(jī)器人的適應(yīng)時(shí)間，降低了人體能量消耗，實(shí)現(xiàn)了穿戴者對(duì)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(shí)域依賴性問題的技術(shù)途徑”。

A：下肢柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng) B：人體運(yùn)動(dòng)擺角與關(guān)節(jié)力矩間的高斯變化規(guī)律（沈陽自動(dòng)化所 供圖）

《中國科學(xué)報(bào)》從沈陽自動(dòng)化所獲悉，這支科研團(tuán)隊(duì)在外骨骼機(jī)器人、腦肌電信號(hào)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(tái)。

審核編輯 ：李倩