中科院：柔性外骨骼機器人研究取得新進展

近日，中國科學院沈陽自動化研究所（以下簡稱沈陽自動化所）科研人員面向手部康復，設計了一種具有靈巧操作能力的柔性手部外骨骼機器人；面向下肢助力，提出了一種新的非時間域助力控制方法。相關研究成果發(fā)表于《美國電氣與電子工程師協(xié)會機器人匯刊》（IEEE Transactions on Robotics，簡稱T-RO）。

據(jù)了解，柔性外骨骼機器人作為新興的智能運動輔助設備，可穿戴在人的身體上，輔助人體運動，為失能或半失能人群提供一種智能化的康復訓練新模式。與傳統(tǒng)的剛性外骨骼機器人相比，柔性外骨骼機器人具有本體輕質(zhì)、穿戴舒適、穿脫方便等優(yōu)勢。

然而，柔性外骨骼機器人與人同體的緊密作業(yè)方式，以及柔性材質(zhì)低帶寬的原生缺陷，使其對機器人集成技術、人機交互控制方法提出了挑戰(zhàn)。

手部康復是卒中患者康復亟需的也是最難的階段。目前的柔性手部外骨骼機器人只能實現(xiàn)簡單的抓握輔助，通常無法恢復人體手部運動的靈巧性。

為此，沈陽自動化所科研人員設計了一種具有完全拇指運動功能的柔性手部外骨骼機器人，可提升腦卒中患者手部的靈活性。

科研人員在對人體骨骼肌肉驅(qū)動機理分析的基礎上，優(yōu)化混合驅(qū)動配置，以最少的驅(qū)動器數(shù)量實現(xiàn)人手拇指三維運動，輔助中風患者完成拇指環(huán)、抓、捏、松、寫等各種訓練任務，改善了運動姿態(tài)，極大提升了指尖力水平，為患者實現(xiàn)正常生活提供了可能。

A：上肢柔性外骨骼機器人系統(tǒng) B：人體骨骼肌肉驅(qū)動機理 C:軟體手部外骨骼機器人（沈陽自動化所 供圖）

站立行走功能是人生活自理功能的必要條件。針對目前柔性下肢外骨骼機器人無法適應不同人體步態(tài)、步速、步頻等問題，沈陽自動化所科研人員提出了一種可持續(xù)融合小腿擺角與足壓信息的狀態(tài)域助力控制方法。

該方法利用高斯模型在線擬合人體站立相的小腿擺角與足壓數(shù)據(jù)，生成與穿戴者運動狀態(tài)連續(xù)對應的助力曲線，保證機器人對急停、急變速等人體運動任務的高適應性與順應性。實驗表明，該方法縮短了穿戴者對外骨骼機器人的適應時間，降低了人體能量消耗，實現(xiàn)了穿戴者對機器人助力模式的自主、連續(xù)、隨意控制。

IEEE Transactions on Robotics（T-RO）審稿專家認為，該方法是一種“可根本性解決目前外骨骼機器人控制系統(tǒng)時域依賴性問題的技術途徑”。

A：下肢柔性外骨骼機器人系統(tǒng) B：人體運動擺角與關節(jié)力矩間的高斯變化規(guī)律（沈陽自動化所 供圖）

《中國科學報》從沈陽自動化所獲悉，這支科研團隊在外骨骼機器人、腦肌電信號解碼與智能人機交互等研究領域深耕多年，已研制出面向老年人、患者人群的多類康復機器人系統(tǒng)平臺。

審核編輯 ：李倩