近年來，隨著人口老齡化的加劇以及疾病結(jié)構(gòu)的變化，康復(fù)醫(yī)療的需求在全球呈現(xiàn)出爆發(fā)式的增長態(tài)勢。智能助行設(shè)備的身影也隨著智能技術(shù)的迅速發(fā)展逐漸出現(xiàn)在老年人、殘疾人的日常生活中。

01  背景

       當(dāng)前，我國正以史上最快的速度步入老齡化社會。根據(jù)第七次全國人口普查數(shù)據(jù)，我國65歲及以上人口數(shù)量達(dá)到1.9億人，占總?cè)丝诒戎剡_(dá)到13.5%。步入老年階段后，人體的各項(xiàng)身體機(jī)能衰弱，甚至?xí)殡S肌肉的退化萎縮，日常行動逐漸遲緩。同時(shí)，老年人群本就飽受各類疾病的困擾，比如骨質(zhì)疏松、癱瘓、腦卒中等。可以預(yù)見，人口老齡化縱深發(fā)展的背景下，關(guān)于老年患者的治療康復(fù)問題將日益突出。

02  痛點(diǎn)

       但目前國內(nèi)從事康復(fù)治療的專業(yè)人才緊缺，真正可以提供相關(guān)服務(wù)的醫(yī)院、康復(fù)中心和養(yǎng)老機(jī)構(gòu)，大都無法滿足巨大的市場需求。所以，智能助行康復(fù)輔具顯得尤為重要。中科深谷作為核心硬件供應(yīng)商及集成智造商，基于CSPACE實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)研發(fā)了開源兩關(guān)節(jié)助行機(jī)器人、開源下肢外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)、智能輪椅等系列康養(yǎng)康復(fù)產(chǎn)品，在外骨骼機(jī)器人算法研究方向積累了很多研究成果。

03  解決方案

       面對龐大的市場需求，中科深谷自主研發(fā)的開源助行外骨骼系統(tǒng)，核心運(yùn)動控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動器全自主開發(fā)。采用基于模型設(shè)計(jì)（MBD）工程開發(fā)方法實(shí)現(xiàn)外骨骼運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)算法開發(fā)與應(yīng)用，提供豐富的控制案例程序，配套有上位機(jī)監(jiān)控軟件，可實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)、監(jiān)控外骨骼的參數(shù)，不僅方便教學(xué)，還能為深層次的外骨骼機(jī)器人或相關(guān)的機(jī)器人科研提供研發(fā)平臺。

       開源兩關(guān)節(jié)助行機(jī)器人（髖部）屬于外骨骼機(jī)器人的一種，可穿戴在人體下肢，由外動力驅(qū)動機(jī)械腿帶動穿戴者對應(yīng)大小腿按照一定規(guī)律擺動，用于增強(qiáng)健康人行走時(shí)的負(fù)重能力或訓(xùn)練和代償下肢運(yùn)動功能障礙患者行走功能的機(jī)器人。助行外骨骼機(jī)器人能幫助行走困難者輕松、自由地行走，有效緩解傳統(tǒng)助行器單一功能與患者多樣需求之間的矛盾。

中科深谷開源兩關(guān)節(jié)助行機(jī)器人（髖部）有效的解決了助行機(jī)器人在“運(yùn)動意圖”、“安全性”這兩個(gè)方面存在的科學(xué)問題。

1、運(yùn)動意圖

       開源兩關(guān)節(jié)助行機(jī)器人（髖部）設(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)在人體行走過程中精確助力，要求用戶在使用過程中借助髖關(guān)節(jié)外骨骼的助力或阻力驅(qū)動而感受不到髖關(guān)節(jié)外骨骼的運(yùn)動約束。髖關(guān)節(jié)外骨骼這一目的的實(shí)現(xiàn)離不開感知系統(tǒng)的信息支持，機(jī)器人的感知系統(tǒng)作為人機(jī)交互信息的直接來源，是識別人體的運(yùn)動意圖和實(shí)現(xiàn)外骨骼自動控制與精確助力的前提條件。中科深谷的助行髖關(guān)節(jié)外骨骼的傳感系統(tǒng)，包括感知系統(tǒng)的信息采集單元、數(shù)據(jù)處理與分析單元。信息采集單元主要由人體慣性測量模塊組成。并且基于感知系統(tǒng)感知數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動信息預(yù)測算法的研究，有效地完成了運(yùn)動意圖識別功能及外骨骼力控制。

2、安全性

       人機(jī)交互力在外骨骼的穿戴安全性中發(fā)揮著重要作用，在以往外骨骼研究的基礎(chǔ)上，本公司的助行髖關(guān)節(jié)外骨骼采用了一種人機(jī)交互力自適應(yīng)控制的髖關(guān)節(jié)外骨骼助行機(jī)器人控制策略，并設(shè)計(jì)了可實(shí)現(xiàn)人機(jī)柔順交互的控制方法。該方法能夠有效地調(diào)整助力助行過程中人機(jī)交互力大小，提高了穿戴者的主動參與程度，有效保證了助行過程中的交互安全性。

開源關(guān)節(jié)助行機(jī)器人（髖骨）

特點(diǎn)與優(yōu)勢

01  開源成熟關(guān)節(jié)模組為實(shí)驗(yàn)載體，支撐機(jī)器人建模仿真、機(jī)器人運(yùn)動學(xué)及控制，以及科研領(lǐng)域的算法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和柔順控制等高級應(yīng)用的控制實(shí)驗(yàn)等；

02  控制器采用CSPACE進(jìn)行開發(fā)，基于CAN總線通訊，性能優(yōu)良，運(yùn)算能力強(qiáng)，支持Matlab/Simulink軟件進(jìn)行編程和自動代碼生成，可以更高效地研究高級自動控制算法；

03  單關(guān)節(jié)模組伺服驅(qū)動器自主開發(fā)，性能優(yōu)異，開放電流、速度、位置三環(huán)控制，支撐高級動力學(xué)算法研究；

04  提供豐富的應(yīng)用場景：被動跟隨康復(fù)訓(xùn)練，主動柔順控制，行走康復(fù)訓(xùn)練，定制步態(tài)軌跡進(jìn)行訓(xùn)練等。

05  提供豐富的仿真分析和開源算法：機(jī)器人工具箱運(yùn)動學(xué)仿真、Simscape物理聯(lián)合仿真、PID控制、柔順控制算法等。

開源兩關(guān)節(jié)助行機(jī)器人（髖部）控制系統(tǒng)采用CSPACE實(shí)時(shí)仿真控制系統(tǒng)3.0版本，采用TITMS320F28335DSP芯片進(jìn)行開發(fā)。

助行外骨骼機(jī)器人PID軌跡跟蹤simulink控制圖

助行外骨骼機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃

助行外骨骼機(jī)器人柔順控制

監(jiān)控軟件

       1月19日，工信部等十七部門印發(fā)“機(jī)器人+”應(yīng)用行動實(shí)施方案。其中，在養(yǎng)老服務(wù)領(lǐng)域，方案明確提出，“積極推動外骨骼機(jī)器人、養(yǎng)老護(hù)理機(jī)器人等在養(yǎng)老服務(wù)場景的應(yīng)用驗(yàn)證”；并提出研究制定機(jī)器人助老助殘技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，推動機(jī)器人融入養(yǎng)老服務(wù)不同場景和關(guān)鍵領(lǐng)域，提升養(yǎng)老服務(wù)智慧化水平。

       外骨骼機(jī)器人除了在電影中大發(fā)神威，現(xiàn)在已經(jīng)走進(jìn)現(xiàn)實(shí)：不僅能夠?qū)π袆诱系K進(jìn)行治療，也能夠作為社會與行為障礙的干預(yù)與治療工具。未來在醫(yī)療康復(fù)及更多行業(yè)中將具有更廣闊的應(yīng)用前景。未來中科深谷將繼續(xù)研發(fā)創(chuàng)新與探索，持續(xù)為助行外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)提供更加高效專業(yè)的技術(shù)支撐。