线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人优化及协调控制研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    61803265
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    F0309.机器人学与智能系统
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

There are some urgent requirements for hand rehabilitation that a robot can implement both functions of training and assist for patients and the robot can be flexible, lightweight, wearable, portable, easy to process, low cost, safe and reliable. This project will propose a novel cable-driven compliant exoskeleton robot for hand rehabilitation that will be designed with flexure hinge as hand joint and cable driven mechanism as hand muscle and tendon by combined the characteristics of hand structure and motion. The relationship between the driving power and the deformation of flexure hinges, the force of friction, and the deflection of the cable. The instantaneous static model and real-time dynamic model during the finger movement will be deduced based on the aforementioned relationship. The dynamic model will be solved by Lie groups and Lie algebras. A dynamical optimal design method for this proposed compliant exoskeleton mechanism will be proposed according to the dynamic model. Meanwhile, a novel self-adaption coordinated control system with man-machine coupling will be deeply researched based on RNN. This control system can meet the different requirements from different patients by means of self-learning from a reference model. Therefore, this kind of rehabilitation robot can promote the patients' enthusiasm for active rehabilitation training, be safe and provide both functions of active and passive motions. In addition, the control theory and its application method will be described clearly in order to boost development of compliant exoskeleton robotic in China. It also has important scientific and academic value on the research of the common problems such as control strategies and man-machine coordination problems of the man-machine hybrid systems.
在手功能康复中,急切需要训练与辅助功能一体化、手体柔性轻巧、可穿戴便携,且易加工、低成本、安全可靠的手功能康复机器人。本项目将结合人手结构和关节运动特点,利用柔性铰链仿生手指关节,线传动仿生手指肌肉、肌腱运动,形成一种新型线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人系统;并通过分析柔性外骨骼运动状态、线槽摩擦力及线变形对末端驱动力的影响,建立手指运动状态下人机耦合瞬时静力学与实时动力学模型,研究利用李群李代数理论简化动力学模型并给出动力学方程高效解法,提出多目标动态优化设计方法;在此基础上建立基于递归神经网络的自适应人机混合协调控制系统,通过参考模型自我学习来满足不同肌力患者的主动运动需求,达到训练与辅助功能统一,满足上述康复需求;阐明人机混合协调控制机制与应用方法。本项目研究成果不仅推动我国柔性外骨骼康复机器人技术进步,并且对人机混合系统的控制策略和人机协同等共性问题的研究具有科学意义和学术价值。

结项摘要

在手功能康复中,急切需要训练与辅助功能一体化、手体柔性轻巧、可穿戴便携,且易加工、低成本、安全可靠手功能康复机器人。本项目结合人手结构和关节运动特点,研究基于最小变形能量原理的变截面圆弧型柔性仿生关节和变刚度柔性仿生关节刚度特性方程及应力特性方程,建立了柔性仿生关节和柔性仿生手指运动状态与驱动力关系,提出了基于刚度和应力特性的变截面圆弧型柔性仿生关节和变刚度柔性仿生关节设计方法;在此基础上,以柔性铰链仿生手指关节,线传动结构模拟手指肌肉、肌腱驱动构建线驱动柔性铰链式手外骨骼仿生结构和变刚度柔性仿生外骨骼手结构,并研究了人手-柔性外骨骼手指人机耦合模型;此外,进一步还研究了上肢-外骨骼人机耦合模型,提出重力平衡式上肢外骨骼构型,并提出了上肢外骨骼人机耦合动力学参数辨识方法。其次,研究了集成多种运动信号与人意图信息融合的柔性外骨骼手功能康复机器人协同控制策略,提出基于有限状态机的柔性外骨骼手功能康复机器人协同控制方法、基于任务的线驱动柔性外骨骼手控制方法,及基于主被动康复目标的柔性外骨骼手功能康复机器人控制方法。阐明了人机混合协调控制机制与应用方法。最后,根据研究的理论参数,研制了四种新型线驱动柔性外骨骼手功能康复机器人原理样机和一种重力平衡式上肢外骨骼和自适应抓握柔性假手样机,并建立了相应的实验平台,对结构与控制方法进行功能实验与临床功能实验验证。此外,针对外骨骼机器人在仿生性、便携性及人机交互性上的问题,提出了一种基于形状记忆合金(SMA)驱动模块用于柔性外骨骼外骨骼手、腕外骨骼及肘外骨骼,为外骨骼手功能康复机器人轻质便携的研究提出新的解决方案及设计基础。本项目研究成果不仅推动我国柔性外骨骼康复机器人技术进步,并且对人机混合系统的控制策略和人机协同等共性问题的研究具有科学意义和学术价值。

项目成果

期刊论文数量(11)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(10)
Modeling and Evaluation of a Novel Hybrid-Driven Compliant Hand Exoskeleton Based on Human-Machine Coupling Model
基于人机耦合模型的新型混合驱动柔顺手外骨骼建模与评估
  • DOI:
    10.3390/app112210825
  • 发表时间:
    2021-11-01
  • 期刊:
    APPLIED SCIENCES-BASEL
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Meng, Qiaoling;Shen, Zhijia;Yu, Hongliu
  • 通讯作者:
    Yu, Hongliu
Pilot Study of a Powered Exoskeleton for Upper Limb Rehabilitation Based on the Wheelchair
基于轮椅的上肢康复动力外骨骼的初步研究
  • DOI:
    10.1155/2019/9627438
  • 发表时间:
    2019-12
  • 期刊:
    BioMed Research International
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Qiaoling Meng;Qiaolian Xie;Haicun Shao;Wujing Cao;Feng Wang;Lulu Wang;Hongliu Yu;Sujiao Li
  • 通讯作者:
    Sujiao Li
An innovative equivalent kinematic model of the human upper limb to improve the trajectory planning of exoskeleton rehabilitation robots
创新的人体上肢等效运动学模型,用于改进外骨骼康复机器人的轨迹规划
  • DOI:
    10.5194/ms-12-661-2021
  • 发表时间:
    2021-06-15
  • 期刊:
    MECHANICAL SCIENCES
  • 影响因子:
    1.4
  • 作者:
    Xie, Qiaolian;Meng, Qiaoling;Shen, Zhijia
  • 通讯作者:
    Shen, Zhijia
Human-Exoskeleton Coupling Dynamics of a Multi-Mode Therapeutic Exoskeleton for Upper Limb Rehabilitation Training
用于上肢康复训练的多模式治疗外骨骼的人外骨骼耦合动力学
  • DOI:
    10.1109/access.2021.3072781
  • 发表时间:
    2021-01-01
  • 期刊:
    IEEE ACCESS
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Xie, Qiaolian;Meng, Qiaoling;Yu, Hongliu
  • 通讯作者:
    Yu, Hongliu
Design and Development of a Portable Exoskeleton for Hand Rehabilitation
便携式手部康复外骨骼的设计与开发
  • DOI:
    10.1109/tnsre.2018.2878778
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
    IEEE TRANSACTIONS ON NEURAL SYSTEMS AND REHABILITATION ENGINEERING
  • 影响因子:
    4.9
  • 作者:
    Wang, Duojin;Meng, Qingyun;Yu, Hongliu
  • 通讯作者:
    Yu, Hongliu

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其他文献

基于惯导信息的人体动作和路况识别
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    生物医学工程学杂志
  • 影响因子:
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  • 作者:
    王永雄;陈晗;尹钟;喻洪流;孟巧玲
  • 通讯作者:
    孟巧玲
3-PRR平面并联机构的刚度特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    东北大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李树军;孟巧玲
  • 通讯作者:
    孟巧玲
6-PSS空间并联机构的刚度特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    中国机械工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李树军;孟巧玲;张余
  • 通讯作者:
    张余
脑卒中患者上肢功能智能评估系统研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    生物医学工程学杂志
  • 影响因子:
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  • 作者:
    李素姣;吴坤;孟巧玲;喻洪流
  • 通讯作者:
    喻洪流
基于生理步态的智能膝关节结构设计及训练方法研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    生物医学工程学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    曹武警;魏小东;赵伟亮;孟巧玲;喻洪流
  • 通讯作者:
    喻洪流

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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