近年來，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，機(jī)器人的發(fā)展趨勢已經(jīng)從單純的接收指令逐漸演變?yōu)槟軌驅(qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互的智能機(jī)器人，而外骨骼機(jī)器人就是這樣的一種能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)交互系統(tǒng)的機(jī)器人。外骨骼機(jī)器人將人體的意圖和系統(tǒng)的智能結(jié)合起來，并通過助力支撐增強(qiáng)人體的運(yùn)動能力，以完成一系列的單獨(dú)靠人體或者機(jī)器難以完成的任務(wù)。因此，外骨骼機(jī)器人成為近年來國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域主要的研究熱點之一。越新穎的領(lǐng)域意味著越多的商業(yè)機(jī)會。

01、背景

       隨著老齡化社會進(jìn)程的加速和國民醫(yī)療保健意識的提高，我國康復(fù)市場需求持續(xù)上升，然而，康復(fù)專業(yè)人才隊伍的缺失成為制約我國康復(fù)行業(yè)發(fā)展的主要因素。要推動行業(yè)發(fā)展，只能通過引入先進(jìn)的技術(shù)，研發(fā)更具優(yōu)勢的醫(yī)療產(chǎn)品，以從供給側(cè)彌補(bǔ)行業(yè)專業(yè)人員的缺失。其中，外骨骼機(jī)器人技術(shù)可直接作用于人體，通過人機(jī)步態(tài)交互滿足急性康復(fù)期和亞急性康復(fù)期患者最迫切的康復(fù)需求，大幅度提高康復(fù)醫(yī)師工作效率和康復(fù)治療效果，從而彌補(bǔ)行業(yè)供給側(cè)缺失并推動行業(yè)發(fā)展。而康復(fù)機(jī)器人作為康復(fù)工程的產(chǎn)物，能夠通過機(jī)器引導(dǎo)肢體做各種指定的重復(fù)性康復(fù)訓(xùn)練，輔助患肢恢復(fù)其運(yùn)動機(jī)能，近年來其得到了迅速發(fā)展。

02、痛點

       與服務(wù)機(jī)器人、教育機(jī)器人等不同的是，外骨骼機(jī)器人需要與人體接觸，通過傳感器收集人體意圖，進(jìn)行機(jī)械反饋，而如何準(zhǔn)確獲得人體的意圖，也正是外骨骼機(jī)器人研發(fā)的難點，而中科深谷CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)在機(jī)器人控制器開發(fā)領(lǐng)域擁有豐富的研發(fā)經(jīng)驗以及成熟產(chǎn)品，在外骨骼機(jī)器人算法研究方向積累了多年的研究經(jīng)驗，對行業(yè)痛點有深刻認(rèn)識與研究。

03、解決方案

       中科深谷以客戶需求為導(dǎo)向，以技術(shù)能力為基礎(chǔ)，為安徽某高校提供專業(yè)詳細(xì)的定制化解決方案。該方案通過采用CSPACE實時仿真控制系統(tǒng)，針對于下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人，構(gòu)建精確的系統(tǒng)控制模型，該系統(tǒng)由仿生機(jī)械腿、動力源與驅(qū)動器、多個傳感器以及控制器四個主要部分組成。在其開發(fā)過程中突破了人體下肢運(yùn)動生物力學(xué)、外骨骼機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)、運(yùn)動狀態(tài)檢測及人體運(yùn)動意圖識別、運(yùn)動規(guī)劃、驅(qū)動系統(tǒng)控制等關(guān)鍵技術(shù)。下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研發(fā)全過程都是基于模型的設(shè)計方法開發(fā)，控制系統(tǒng)全部開源，提供PTP運(yùn)動、人體步態(tài)規(guī)劃運(yùn)動、柔順控制等運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)算法實驗案例。

圖 | Solidworks三維建模

圖 | Simscape物理聯(lián)合仿真

下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人特點和優(yōu)勢

01、下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人能夠提供長期、穩(wěn)定地重復(fù)性高強(qiáng)度康復(fù)訓(xùn)練，并精確檢測和反饋訓(xùn)練患者的運(yùn)動信息實時進(jìn)行控制。該項目是搭建多傳感器信息獲取的平臺，獲取多傳感器信息為控制決策和反饋提供所需的數(shù)據(jù)。

02、為了研究柔自然行走可穿戴機(jī)器人的控制策略，針對人體在自然步行運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)角度變化等關(guān)鍵信息的獲取進(jìn)行了研究，構(gòu)建了自然行走可穿戴機(jī)器人的多傳感起信息采集與處理系統(tǒng)，并對采集到的多傳感器信息進(jìn)行分析與處理，為控制決策和反饋提供數(shù)據(jù)。

03、整個多傳器信息獲取平臺以工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡為核心，通過對比選取多種傳感器、設(shè)計傳感器的信號調(diào)理電路和供電電路來構(gòu)建采集系統(tǒng)。上位機(jī)采用QT作為軟件編寫平臺，對信號進(jìn)行采集和處理。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析得出自然行走時腳底壓力的變化信息作為可穿戴康復(fù)機(jī)器人的控制依據(jù)。

下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人柔順控制

       柔順分為主動柔順和被動柔順兩類。機(jī)器人憑借一些輔助的柔順機(jī)構(gòu)，使其在與環(huán)境接觸時能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從，稱為被動柔順；機(jī)器人利用力的反饋信息采用一定的控制策略去主動控制作用力，稱為主動柔順性。本研究的下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人具有主動柔順控制功能，采用主動柔順控制中的導(dǎo)納控制。

       下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人所采用導(dǎo)納控制的基本思想是：控制系統(tǒng)采用基于位置控制的內(nèi)環(huán)和力控控制的外環(huán)策略。檢測系統(tǒng)（關(guān)節(jié)力矩傳感器）與外界的接觸力矩,通過一個二階導(dǎo)納模型，生成一個附加的位置，此附加位置再去修正預(yù)先設(shè)定的位置軌跡（期望位置），最終送入位置控制內(nèi)環(huán)，完成最終的位置控制。這種控制方式可以使得系統(tǒng)表現(xiàn)出二階質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)的阻抗特性,導(dǎo)納控制計算的結(jié)果是關(guān)節(jié)期望位置。

        這種控制方式可以使得系統(tǒng)表現(xiàn)出二階質(zhì)量彈簧阻尼系統(tǒng)的阻抗特性,導(dǎo)納控制計算的結(jié)果是關(guān)節(jié)期望位置。

       外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩傳感器在檢測到人施加的力矩時，產(chǎn)生順應(yīng)性，當(dāng)力矩撤銷時，在算法的作用下，會自動回到設(shè)定的初始位置?；颊咄ㄟ^主動柔順訓(xùn)練，能夠鍛煉腿部肌肉，從而實現(xiàn)康復(fù)訓(xùn)練的目的。

導(dǎo)納模型

圖 | 柔順（導(dǎo)納）控制框圖

圖 | 關(guān)機(jī)模組柔順（導(dǎo)納）控制的simulink模型截圖

基于目前下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的研究狀況  

主要解決以下幾個技術(shù)難點

01、外骨骼結(jié)構(gòu)的人機(jī)工程設(shè)計。下肢康復(fù)機(jī)器人的外骨骼裝置是穿戴于患者軀體并帶動患者下肢作康復(fù)訓(xùn)練的，外骨骼的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)與穿戴者的下肢尺寸相符合；外骨骼的結(jié)構(gòu)自由度應(yīng)與人體下肢的運(yùn)動相匹配；外骨骼結(jié)構(gòu)的運(yùn)動范圍應(yīng)與人體下肢的運(yùn)動范圍相統(tǒng)一。另外，還考慮了外骨骼結(jié)構(gòu)因為人體肌肉變形而引起的不匹配問題。

02、腰部運(yùn)動的機(jī)構(gòu)設(shè)計。目前下肢康復(fù)機(jī)器人的研究多集中于腿部的外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計，腰部裝置只是簡單的穿戴結(jié)構(gòu)，沒有考慮人體步行時骨盆和腰部的運(yùn)動。少數(shù)科研機(jī)構(gòu)己經(jīng)研究了人體步行時骨盆和腰部的運(yùn)動規(guī)律，但是還沒有設(shè)計出具體的腰部機(jī)構(gòu)來模擬腰部的運(yùn)動特點。

03、多傳感器信息獲取系統(tǒng)是本項目的研究重點之一，主要的信號有腿桿姿態(tài)信號、關(guān)節(jié)角信息和關(guān)節(jié)力矩傳感器采集到的力矩信息。多傳感器信息獲取系統(tǒng)設(shè)計主要是為控制系統(tǒng)提供信號，檢測可穿戴機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)，結(jié)合角度傳感器、加速度計和一維力傳感器做位置、速度和助力的反饋信號，為可穿戴助力康復(fù)設(shè)備的運(yùn)動控制提供感知信息基礎(chǔ)。在可穿戴康復(fù)設(shè)備的外骨骼的每個連桿上安裝姿態(tài)傳感器，確定外骨骼整體姿態(tài)。在關(guān)節(jié)上安裝絕對值編碼器，判定執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)當(dāng)前的空間位置。在每個連桿機(jī)構(gòu)上安裝力矩傳感器，用來測量助力效果及反饋助力大小，也可為醫(yī)療康復(fù)訓(xùn)練康復(fù)的效果評價的依據(jù)。

04、符合不同康復(fù)訓(xùn)練要求的多運(yùn)動模式。不同下肢患者所需要康復(fù)的關(guān)節(jié)部位不同，同一個患者在康復(fù)治療不同階段所需要進(jìn)行的康復(fù)訓(xùn)練也不相同。下肢康復(fù)機(jī)器人的外骨骼結(jié)構(gòu)能夠滿足人體下肢的全自由度康復(fù)訓(xùn)練，且針對于下肢患者在不同康復(fù)階段的訓(xùn)練要求有相對應(yīng)的康復(fù)訓(xùn)練模式。

05、外骨骼系統(tǒng)的重力支持。下肢康復(fù)機(jī)器人的外骨骼裝置是一個完整的機(jī)械系統(tǒng)，具有一定的質(zhì)量。下肢患者支撐自身的重力已經(jīng)很費(fèi)力，不能負(fù)擔(dān)外骨骼系統(tǒng)的重量。外骨骼結(jié)構(gòu)在足部裝置的設(shè)計要能通過機(jī)械結(jié)構(gòu)承擔(dān)外骨骼系統(tǒng)的重力，減輕患者的負(fù)擔(dān)并為患者提供支撐和康復(fù)作用。

06、驅(qū)動系統(tǒng)和動力源的選擇。外骨骼系統(tǒng)穿戴于人體，受重為負(fù)擔(dān)影響要求驅(qū)動裝置體積小、重量輕。要根據(jù)各驅(qū)動系統(tǒng)的特點合理地選擇下肢康復(fù)機(jī)器人的驅(qū)動裝置來提供康復(fù)訓(xùn)練所需求的驅(qū)動為或驅(qū)動力矩。下肢康復(fù)機(jī)器人屬于移動式機(jī)器人，對動力源的選擇也要滿足其運(yùn)動的要求和特點。

07、要實現(xiàn)柔性外骨骼設(shè)備的可移動性,整個系統(tǒng)需要有自給的能源供給,因此要求體積小、重量輕、效率高、清潔環(huán)保的新型配套能源技術(shù)。

08、快速的信息傳感技術(shù),獲取所需的控制信息,并對多信息進(jìn)行高效快速的融合，作出控制指令，實現(xiàn)整個柔性外骨骼的柔順控制。

09、人機(jī)接合接口技術(shù),實現(xiàn)操作者和外骨骼之間的數(shù)據(jù)和信息雙向傳遞,在感知層和執(zhí)行層分別實現(xiàn)人和機(jī)器的統(tǒng)一。

10、基于“人機(jī)一體化”思想的控制策略研究，研究人的智慧在整個控制系統(tǒng)中的作用，充分考慮人在整個控制環(huán)中的影響，建立全新的人機(jī)智能系統(tǒng)控制理論。

11、建立人與外骨骼之間任務(wù)的合理分配規(guī)則研究，根據(jù)人和外骨骼各自的優(yōu)勢，進(jìn)行任務(wù)分配。因此，外骨骼系統(tǒng)的實現(xiàn)與機(jī)器人技術(shù)、機(jī)電工程、微能源技術(shù)、微驅(qū)動技術(shù)、材料技術(shù)和控制技術(shù)等學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。

       當(dāng)下外骨骼機(jī)器人快速發(fā)展正在改變整個康復(fù)行業(yè)，尤其是下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人近年發(fā)展迅猛。下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人智能化水平較高，憑借其優(yōu)勢與特性，將康復(fù)治療標(biāo)準(zhǔn)化，可以為基層和社區(qū)的康復(fù)服務(wù)賦能，實現(xiàn)醫(yī)療資源的有效覆蓋。外骨骼機(jī)器人在未來的醫(yī)療康復(fù)行業(yè)中必將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。而中科深谷下肢康復(fù)外骨骼機(jī)器人的出現(xiàn)，加快了外骨骼機(jī)器人轉(zhuǎn)型的步伐。未來中科深谷將持續(xù)研發(fā)創(chuàng)新，為外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)提供更加高效、專業(yè)的工具與技術(shù)支撐。