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資訊頻道近日，中國科學院沈陽自動化研究所科研人員在人機多維度適配與共融交互控制方面取得新進展，面向偏癱患者下肢康復，設計了一款雙側(cè)髖-膝-踝全柔順驅(qū)動康復外骨骼機器人，并提出了一種多層級交互控制方法。
下肢康復外骨骼機器人作為一種神經(jīng)功能重建技術，是通過“神經(jīng)可塑性”原理為運動功能障礙患者提供運動康復訓練，并實現(xiàn)受損機能重塑。對于偏癱人群，他們的雙側(cè)運動功能呈現(xiàn)差異化，即患側(cè)具有弱運動功能和異常步態(tài)模式，而健側(cè)則保留較高程度的運動與感知能力，對康復提出了獨特的要求。目前現(xiàn)有的外骨骼機器人研究，多采用剛性驅(qū)動關節(jié)與單一化控制方法，難以同時提供偏癱雙側(cè)運動中患側(cè)康復矯正與健側(cè)柔順交互，限制了該人群通過外骨骼輔助康復的有效性。
為此，科研團隊設計了一種匹配人體關節(jié)自適應運動特性的剛?cè)狁詈向?qū)動關節(jié)，并構(gòu)建了矢狀面內(nèi)髖-膝-踝關節(jié)柔順驅(qū)動康復外骨骼系統(tǒng)。該系統(tǒng)是基于一種多模態(tài)剛度特性的彈性元件，從而實現(xiàn)人體關節(jié)短程剛度特性的仿生映射，在技術上取得了康復外骨骼關鍵零部件的突破。團隊進一步構(gòu)建了柔順交互的驅(qū)動-關節(jié)-構(gòu)型多維度人機適配的輕量化系統(tǒng)性方案，從而實現(xiàn)柔順交互的驅(qū)動-關節(jié)-構(gòu)型多維度人機適配。
針對偏癱患者雙側(cè)差異化運動機能與康復需求，團隊提出了一種“規(guī)劃-協(xié)同-控制”的多層次融合交互控制框架，突破了傳統(tǒng)控制方法在“完全引導”與“完全順應”之間的局限。通過結(jié)合多模板步態(tài)與實時狀態(tài)反饋，該方法實現(xiàn)了耦合輔助下的生物力學特性重建與自適應規(guī)劃，并在關節(jié)級控制方面引入了阻抗渲染控制方法，實現(xiàn)剛?cè)狁詈想p系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定下的寬阻抗范圍交互控制。
該研究以Hip–Knee–Ankle Rehabilitation Exoskeleton with Compliant Actuators: From Human–Robot Interaction Control to Clinical Evaluation 為題發(fā)表于國際機器人領域期刊IEEE Transactions on Robotics。沈陽自動化所博士生陳萬鑫為該論文第一作者，張弼副研究員、趙新剛研究員為本文通訊作者。
團隊長期與遼寧省人民醫(yī)院開展臨床合作，驗證了研究方法對運動學重塑、步態(tài)模式自然性與雙側(cè)運動對稱性等關鍵康復目標的有效改善，具備臨床應用轉(zhuǎn)化價值。
團隊在外骨骼機器人與智能人機交互等研究領域深耕多年，陸續(xù)研制出面向老年人、患者人群的多類康復機器人系統(tǒng)平臺，研究成果先后發(fā)表于IEEE T-RO,IEEE T-NSRE,The Innovation等國際期刊。以上研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃等項目的支持。（機器人學研究室）
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10758200
來源：中國科學院沈陽自動化研究所
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號