下肢外骨骼機器人多模融合控制策略研究
【學位單位】:中國科學院大學(中國科學院深圳先進技術(shù)研究院)
【學位級別】:博士
【學位年份】:2018
【中圖分類】:TP242
【部分圖文】:
-環(huán)境相宜的步態(tài)模式,從而使人機系統(tǒng)能在復雜地面環(huán)境下安全、可靠的行走,其系統(tǒng)框架如圖1.2。這樣才能充分利用人-機-環(huán)境交互過程中表現(xiàn)出來的多模態(tài)信息,發(fā)揮生物信號的全局、主動性,物理信號的持續(xù)、魯棒性,及機器視覺的快速、準確性等優(yōu)勢,使得下肢外骨骼機器人能更高效的為穿戴者提供助行、助力等功能,并能適應復雜行走環(huán)境。1.2研究現(xiàn)狀下肢外骨骼機器人的研究經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,目前已經(jīng)取得了豐碩的成果,其完美的將人的智力與機器人的體力結(jié)合在一起,充分發(fā)揮了各自的優(yōu)勢,廣泛應用于軍事、救災等領域幫助穿戴者負重行走[28][29][30],以及助老、康復等領域幫助老年人、殘疾人等助力行走,其中在康復醫(yī)療領域,目前國內(nèi)外已經(jīng)有多家高科技企業(yè)推出多樣化的外骨骼機器人產(chǎn)品或企業(yè)已上市
功能[31],已有的部分樣機結(jié)果如圖1.3。隨著全球人口老齡化日益嚴重、發(fā)達國家勞動力缺失等問題,歐美、日本等國家都對各種輔助機器人的研究表現(xiàn)出極大的興趣[32]。美國Berkeley Bionics公司以HULC下肢外骨骼機器人模型為基礎,開發(fā)了eLegs(Ekso)康復助行外骨骼系統(tǒng)[33],目前已經(jīng)應用于部分康復訓練中心。由瑞士工程師杰里·科倫坡發(fā)明的Lokomat是針對下肢癱瘓患者進行康復訓練的外骨骼機器人,主要用于對脊髓損傷、腦卒中及其它神經(jīng)損傷患者的康復治療。日本筑波大學開發(fā)的HAL系列下肢運動輔助外骨骼[34],是目前研究較為成熟的下肢外骨骼機器人系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)可通過皮膚表面能檢測到下肢肌肉運動信號,然后通過處理后用于下肢外骨骼機器人的控制。最新推出的樣機HAL-5是一款半機器人系統(tǒng),可以協(xié)助穿戴者完成基本的站立、行走、上下樓梯等動作。ReWalk外骨骼機器人[35]是以色列“埃爾格醫(yī)學技術(shù)”(Argo Medical Technologies)公司阿密特·戈夫爾(Amit Goffer)主持研究的一套康復醫(yī)療下肢助力外骨骼機器人
國內(nèi)康復助行外骨骼機器人樣機系統(tǒng)的研究起步較晚,但近年來受到國家科技計劃支持、巨大市場需求等影響,已經(jīng)有多家研究機構(gòu)、高校、企業(yè)等開始從事康復、助行下肢外骨骼機器人的研究,并且取得了許多成果,部分樣機如圖1.4。電子科技大學開發(fā)的外骨骼機器人AIDER系統(tǒng)通過多種傳感器來感知人體運動意圖,如站立、坐下或行走等,采集到的傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)快速處理后通過控制模塊實現(xiàn)電機驅(qū)動下肢關(guān)節(jié)運動,同時在智能鞋、腰部支撐及綁縛附件等輔助下為穿戴者提供助力行為。目前該樣機系統(tǒng)可實現(xiàn)助行、康復訓練和助力功能[37][38]。浙江大學科研團隊研發(fā)了四自由度穿戴式下肢步行外骨骼機器人。該系統(tǒng)包括減重機構(gòu)、腰部機構(gòu)、下肢助行機構(gòu)及跑步機四部分組成。針對下肢活動能力不同的患者,分別制定了被動步態(tài)位置訓練控制策略、半主動步態(tài)訓練軌跡自校正控制策略及主動步態(tài)力矩-位置自適應控制策略[39][40][41]。中國科學院深圳先進技術(shù)研究院科研團隊于2012年啟動截癱助行下肢外骨骼機器人研究試制工作,開發(fā)了輕便安全有效的下肢助行外骨骼機器人系統(tǒng),樣機采用閉環(huán)控制架構(gòu)、有自適應步態(tài)模式學習能力,并且具備坐姿穿戴、起立、行走、坐下等功能,完成了多例截癱患者助行實驗,目前正與珠三角數(shù)家醫(yī)院合作,進行患者穿戴臨床試驗[42][43][44][45]。在下肢外骨骼機器人產(chǎn)業(yè)化方面,國內(nèi)很多企業(yè)做出了許多貢獻。大艾機器人推出了面向不?
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本文編號:2886019
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