康复机器人柔顺变刚度驱动机构研究进展

陆盛，胡冰山，程科，喻洪流，倪伟

1.上海理工大学康复工程与技术研究所，上海市 200093；2.上海康复器械工程技术研究中心，上海市200093

康复机器人既要求具备合适的刚度，保证闭环控制的稳定性和良好的控制带宽，以在规定时间内带动患者肢体到达指定位置实现被动训练[1]；还必须具备良好的柔顺性，在主动训练和抗阻训练阶段跟随患者肢体，并分别给患者肢体施加不同的作用力，以保证康复过程的安全性和舒适性，增强康复训练的效果[2]。传统康复机器人通常在刚性驱动机构的基础上，增加传感器种类和数量，通过采集足够多的位置、力矩、速度等数据，设计能够高效处理这些数据的控制器控制康复机器人的阻抗[3]。这就使得此类驱动机构要求传感器、驱动及控制电路运行速度足够快，并且控制器复杂，要求建立精确的动力学模型[4]。而且传统刚性驱动机构不是本质柔顺，不能储存能量，也不能吸收碰撞瞬时的能量。

与传统机器人相比，以肌肉骨骼系统作为驱动的人类，能够调节肢体关节刚度以适应环境的变化，在控制位置的同时，具有良好的柔顺变刚度特性。例如当肘关节作屈肘运动时，肱二头肌收缩，肱三头肌放松；当关节位置不变时，肌肉张力增加，即关节的刚度增加[5-6]。若能使康复机器人驱动关节也具有良好的变刚度特性，同时具备本质柔顺属性，无疑将使康复机器人更能适应被动、主动及抗阻训练时刚度的变化，并提高人机交互的安全性和环境适应性[7-8]。……