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近日，中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所科研人員在人機(jī)多維度適配與共融交互控制方面取得新進(jìn)展，面向偏癱患者下肢康復(fù)，設(shè)計(jì)了一款雙側(cè)髖-膝-踝全柔順驅(qū)動(dòng)康復(fù)外骨骼機(jī)器人，并提出了一種多層級(jí)交互控制方法。

下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人作為一種神經(jīng)功能重建技術(shù)，是通過“神經(jīng)可塑性”原理為運(yùn)動(dòng)功能障礙患者提供運(yùn)動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練，并實(shí)現(xiàn)受損機(jī)能重塑。對(duì)于偏癱人群，他們的雙側(cè)運(yùn)動(dòng)功能呈現(xiàn)差異化，即患側(cè)具有弱運(yùn)動(dòng)功能和異常步態(tài)模式，而健側(cè)則保留較高程度的運(yùn)動(dòng)與感知能力，對(duì)康復(fù)提出了獨(dú)特的要求。目前現(xiàn)有的外骨骼機(jī)器人研究，多采用剛性驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)與單一化控制方法，難以同時(shí)提供偏癱雙側(cè)運(yùn)動(dòng)中患側(cè)康復(fù)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(fù)的有效性。

為此，科研團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種匹配人體關(guān)節(jié)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)特性的剛?cè)狁詈向?qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，并構(gòu)建了矢狀面內(nèi)髖-膝-踝關(guān)節(jié)柔順驅(qū)動(dòng)康復(fù)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(shí)現(xiàn)人體關(guān)節(jié)短程剛度特性的仿生映射，在技術(shù)上取得了康復(fù)外骨骼關(guān)鍵零部件的突破。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步構(gòu)建了柔順交互的驅(qū)動(dòng)-關(guān)節(jié)-構(gòu)型多維度人機(jī)適配的輕量化系統(tǒng)性方案，從而實(shí)現(xiàn)柔順交互的驅(qū)動(dòng)-關(guān)節(jié)-構(gòu)型多維度人機(jī)適配。

針對(duì)偏癱患者雙側(cè)差異化運(yùn)動(dòng)機(jī)能與康復(fù)需求，團(tuán)隊(duì)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(dǎo)”與“完全順應(yīng)”之間的局限。通過結(jié)合多模板步態(tài)與實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋，該方法實(shí)現(xiàn)了耦合輔助下的生物力學(xué)特性重建與自適應(yīng)規(guī)劃，并在關(guān)節(jié)級(jí)控制方面引入了阻抗渲染控制方法，實(shí)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(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域期刊IEEE Transactions on Robotics。沈陽自動(dòng)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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期與遼寧省人民醫(yī)院開展臨床合作，驗(yàn)證了研究方法對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)重塑、步態(tài)模式自然性與雙側(cè)運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性等關(guān)鍵康復(fù)目標(biāo)的有效改善，具備臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化價(jià)值。

團(tuán)隊(duì)在外骨骼機(jī)器人與智能人機(jī)交互等研究領(lǐng)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(fù)機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)，研究成果先后發(fā)表于IEEE T-RO,IEEE T-NSRE,The Innovation等國(guó)際期刊。以上研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。（機(jī)器人學(xué)研究室）

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10758200

來源：中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所