上肢康复外骨骼研究

项目批准号:江苏省普通高校研究生科研创新计划项目(CXZZ13_0085)、江苏省东南大学优秀博士学位论文培育基金(YBJJ14_27)
资助金额:10万元
起止年月:2013年4月-2015年10月

主要创新点及其主要研究进展:

基于偏瘫康复治疗基础研究理论以及人体上肢的解剖学和运动学特征,设计了具有重力平衡特性的套索驱动上肢康复外骨骼系统。基于Matlab/RTW/xPC实时开发目标环境,搭建传感检测系统和半物理实时运动控制平台。基于肘关节旋转角概念来描述人体上肢运动过程中的冗余特性,提出的“上肢-嘴部共面”假设来估算上肢自由运动过程中的肘关节旋转角位置,并推导出完整的外骨骼冗余运动学逆解。基于“混合平衡法”建立上肢外骨骼机器人的重力平衡模型,通过添加辅助平行连杆来定位系统整体重心,通过添加辅助弹簧、滑轮以及钢丝绳等来平衡外骨骼与上肢受到的重力作用,保证运动过程中系统总势能维持恒定。基于库伦摩擦模型以及微元受力平衡分析,建立准静态条件下单套索传动系统的力传递模型和弹性伸长模型,以及双套索传动系统的力矩传递模型。针对不同康复阶段的偏瘫患者临床特征设计对应的康复训练控制策略,包括被动训练模式,助力训练模式以及主动训练模式。

图1 上肢康复外骨骼系统整体示意图 图2 实物图
研究成果

Wu Qingcong, Wang Xingsong, Chen Lin, and Du Fengpo. Transmission model and compensation control of double-tendon-sheath actuation system. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(3): 1599-1609. (SCI)

Wu Qingcong, Wang Xingsong, Chen Lin, Du Fengpo, and Zhang Xiaobo. Design and control of a powered hip exoskeleton for walking assistance. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2015, 12. (SCI)

Wu Qingcong, Wang Xingsong, and Du Fengpo. Analytical inverse kinematic resolution of a redundant exoskeleton for upper limb rehabilitation. International Journal of Humanoid Robotics, 2015, 12(4): 1-23. (SCI)

Wu Qingcong, Wang Xingsong, and Du Fengpo. Development and analysis of a gravity balanced exoskeleton for active rehabilitation training of upper limb. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C Journal of Mechanical Engineering Science, 2015, 0954406215616415. (SCI)

Wu Qingcong, Wang Xingsong, and Du Fengpo. Development and control of a Bowden-cable actuated exoskeleton for upper-limb rehabilitation. 2014 IEEE International Symposium on Robotic and Sensors Environments, 7-12. (EI)

Wu Qingcong, Wang Xingsong, Du Fengpo, and Zhu Qing. Fuzzy sliding mode control of an upper limb exoskeleton for robot-assisted rehabilitation. 2015 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications, 451-456. (EI)

Wu Qingcong, and Wang Xingsong. Design of a gravity balanced upper limb exoskeleton with Bowden cable actuators. 2013 IFAC Symposium on Mechatronic Systems, 679–683. (EI)

Wu Qingcong, and Wang Xingsong. Design and control of a humanoid robot for traffic guidance. Robot Intelligence Technology and Applications 2. 2014, 743-752. (EI)

吴青聪, 王兴松, 杜峰坡, 陈林. 双套索系统力矩传动特性与摩擦补偿分析. 机械工程学报, 2015, 51(5), 22-29. (EI)

王兴松, 吴青聪. 一种基于套索驱动的上肢康复外骨骼机器人. 发明专利, 已授权, 专利号:201410281103X.

王兴松, 吴青聪. 一种用于外骨骼机器人的双套索驱动柔顺关节. 发明专利, 申请公布号:CN104068985A.