11、上肢外骨骼机器人研究进展与肩部机制设计

上肢外骨骼机器人研究进展与肩部机制设计

上肢外骨骼机器人的配置与控制

上肢外骨骼机器人在康复治疗和辅助功能方面具有重要作用。其配置通常包括附着在上臂、前臂和手掌的三个支架。此外，爪型手部接口的两个额外接触面以及三指手部的三个接触接口，用于在外骨骼手和操作者手指之间传递力。嵌入支架和手指支撑表面的力传感器，使操作者能够使用导纳控制器来控制手臂和手部。

控制算法方面，外骨骼系统的控制算法多年来不断改进，从基于表面肌电图（sEMG）发展到基于力/扭矩。从电缆驱动到电机 - 齿轮的机制增强，虽然增加了力量，但也给控制系统带来了复杂性，使其难以控制且容易不稳定。最初，导纳控制器用于高级人机交互（HMI）意图检测，输入力和扭矩，生成位置/速度命令，并在EXO - UL7的关节空间和任务空间进行策略比较。后来，在EXO - UL8上比较了基于超参数和基于卡尔曼滤波器的导纳控制器的性能。

相关研究方向

1. 冗余分辨率 ：人体上肢和EXO - UL7或EXO - UL8外骨骼在三维笛卡尔空间中都具有冗余性。针对这一问题，研究人员进行了多方面的探索。例如，建立了用于解决人体手臂冗余的粘弹性模型，将冗余分辨率纳入任务空间导纳控制算法以减少能量交换，并基于运动学和动力学约束进行进一步研究。根据任务类型，对人体上肢的冗余分辨率在点/到达任务、到达 - 抓取任务以及有重力负载的到达任务等方面进行了研究。对冗余分辨率的理解还被应用于预测人体手臂姿势和EXO - UL7外骨骼配置。
2. 协同分析 ：中风后患者常出现异常协同现象，但这种症状的量化并不理想。常用的Fugl - Meyer评估（FMA