机器人化假肢与柔性外骨骼研发

项目负责人:付成龙
技术领域:助老助残、医疗康复

项目简介

目的


行走能力是残疾人及老年人丧失自理能力的的决定性因素之一。本项目结合人体行走生物力学和腿式机器人技术,为残疾人与老年人研发机器人化动力假肢与柔性外骨骼,帮助其恢复运动能力、扩大活动范围,延长运动年限。

意义


1)下肢残疾在肢体残疾中占有很大比例,机器人化假肢和柔性外骨骼在我国人口老龄化背景下有着巨大的市场需求;
2)项目关注肢体残障人士等弱势群体,能够帮助更快适应新生活,获得更高的生活质量,社会意义巨大。

必要性


现有下肢假肢绝大部分都不能产生动力—膝关节无法提供主动伸膝力矩,踝关节无法主动蹬地实现高效行走,穿戴者动作不自然,无法有效完成日常生活动作,且对体力产生巨大负担,肢体残障人士迫切需要更高效智能的假肢和外骨骼。

技术优势


项目组多年来致力于研究受生物学启发的机器人化动力假肢和柔性助力外骨骼。在仿生设计层面上,根据人体腿部生物力学特性,使得假肢结构和外骨骼精巧并具有柔性。通过模仿人体肌肉-肌腱的柔性驱动方式,使用并联和串联弹性元件减少电机功率,提高假肢对地面冲击的耐受能力;根据人体行走生物力学数据,通过优化机构参数和弹簧刚度,实现能量意义上的最小。



在控制层面,我们提出了一种基于神经反射的行走控制方法。使用一组神经元耦合振荡器来生成膝关节和踝关节运动轨迹(可以为角度轨迹,也可以为力矩轨迹)。在初始阶段,膝关节和踝关节的运动模式通过机器学习的方法来收敛到指定的频率、振幅和相位;然后通过控制器复现上述轨迹,并设计一个自适应频率振荡器,使得假肢和外骨骼运动同步自适应于安装在大腿上的加速度传感器,以实现自然高效的行走。



本项目的先进性体现在两个方面:第一,在假肢学和康复学方面,本项结合机器人与人工智能技术,使得肢体残障人士自然高效的控制目机器人化假肢和外骨骼能够;第二,有助于理解人类行走本质。对机器人化假肢和助力外骨骼的设计与控制的深入研究将会加深对人类双足行走本质的深入理解。从长期角度讲,有助于帮助人们诊断和治疗与行走相关的疾病。