足底驅動柔性步態模擬機構設計理論與控制方法研究

《足底驅動柔性步態模擬機構設計理論與控制方法研究》是依託天津大學，由劉海濤擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：足底驅動柔性步態模擬機構設計理論與控制方法研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉海濤
• 依託單位：天津大學

項目摘要

下肢康復機器人作為服務機器人中重要的門類之一，對服務於人民醫療健康具有重要作用。目前，國內下肢康復機器人的研究雖然已經取得了一定的成果，但在構型自主創新、人機工程化及人機耦合系統設計方法、控制系統智慧型化及人機互動控制方法等方面仍然存在若干問題需要解決，相關核心技術及產業化程度仍與國外存在一定差距。本項目面向下肢康復訓練和新型下肢康復機器人自主創新需求，將機構學、生物力學和康復醫學三者有機結合，研究足底驅動柔性步態模擬機構構型創新與綜合性能最佳化設計方法，集成化步態訓練自適應運動軌跡規劃與運動復現效果評估方法，探索以氣動肌肉為作動單元的步態模擬機構機-電-氣耦合系統動力學建模，以及適合人體下肢康復訓練的柔順控制算法，並套用上述研究成果，構建原理樣機以驗證所提出理論與方法的正確性和有效性。本項目研究成果將為我國下肢康復機器人的工程設計和開發奠定重要的理論與技術基礎。

結題摘要

醫療康復機器人對服務人民健康具有重要意義。密切結合新型下肢康復訓練機器人自主創新需求，本項目系統研究一種足底驅動柔性步態模擬機構的構型創新、參數設計、康復軌跡規劃、虛擬樣機技術及軌跡跟蹤控制方法，並建造原理樣機開展實驗研究。針對下肢康復訓練運動需求，提出一種冗餘驅動三自由度足底驅動步態模擬並在線上構，在分析其組成原理和運動特點的基礎上，建立機構的運動學模型。基於機構的廣義雅克比矩陣，提出適用於該冗餘機構運動/力傳遞性能分析的評價指標，利用多目標最佳化設計方法實現機構尺度參數最佳化設計。藉助虛功原理和子結構綜合思想，建立考慮機構全部關節和部件彈性變形影響的靜剛度精細化半解析模型，用於機構全域靜剛度特性快速預估。基於人體下肢運動生物力學仿真分析，提出一種適於主動訓練的複合康復運動軌跡，建立人機耦合系統仿真模型，以主要動力肌肉的平均肌力和活性為康復訓練效果評價指標，驗證複合康復軌跡的有效性。針對氣動人工肌肉強非線性及時變性的特點，提出一種有效描述氣動人工肌肉非對稱遲滯特性的參數化模型，具有運算元和參數個數少、模型精度高的優點。在此基礎上，提出氣動人工肌肉前饋/反饋運動控制策略，以及基於關節空間控制策略的步態模擬機構高精度軌跡跟蹤控制方法。最後，利用實驗方法驗證上述設計與控制方法的有效性。本項目執行年限內，在國內外期刊及會議上發表學術論文12篇，被SCI收錄7篇次，被EI收錄12篇次；發明出3種新型足底驅動步態模擬機構，均已授權國家發明專利；培養博士研究生1名、碩士研究生5名。