合肥工业大学訾斌教授团队：基于康复评价参数的柔索驱动并联腰部康复机器人平滑性轨迹规划|CJME论文推荐|合肥工业大学|平滑性|康复机器人|康复评价|机械|柔索|轨迹

引用论文

Li, Y., Zi, B., Sun, Z. et al. Smooth Trajectory Planning for a Cable Driven Parallel Waist Rehabilitation Robot Based on Rehabilitation Evaluation Factors. Chin. J. Mech. Eng. 36, 73 (2023). https://doi.org/10.1186/s10033-023-00906-5

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研究背景及目的

康复机器人是一种人机共融的医疗设备，需要在保障患者安全性的基础上提高康复运动的柔顺性。因此，设计安全、合理、高效的康复训练轨迹，并使用腰部康复机器人模拟轨迹运动，是检验康复训练效果的有效方法。本文通过采集人体腰部转动时的运动数据，并考虑运动变异性的影响，获取了人体骨盆中心处的运动轨迹；结合康复评价参数，开展腰部康复运动轨迹规划研究；最后，通过数据仿真与样机实验检验设计轨迹的合理性、有效性。

试验方法

本文使用运动捕捉技术采集了数名健康成年男性青年在扭腰时的腰部运动数据，考虑运动变异性的影响，通过数据合理性判别，去除不合理数据后，获取了人体骨盆中心特征点的运动轨迹。基于腰部转动运动数据所拟合的轨迹信息，分别通过五次多项式、摆线轨迹和五次B 样条曲线进行轨迹规划。在此基础上，引入康复评价参数，以患者运动安全性为约束，柔顺性为优化目标，改进基于五次B 样条曲线的规划轨迹。最后，搭建柔索驱动并联腰部康复机器人物理样机，通过仿真和实验结果验证了所提出腰部运动平滑性轨迹规划方法的有效性。

Figure 1 Principle of waist motion measurement

Figure 2 Comparison of fitting results in the horizontal plane

Figure 3 3D model and physical prototype of the CDPWRR

结果

（1）数据仿真的结果表明，优化后的腰部运动轨迹在、及三个方向的加加速度峰值均减小，优化前后的标准差分别为1.402 及0.644，康复评价参数分别为1455 mm和879 mm，分别为0.096 rad和0.094 rad。

（2）物理样机的实验结果表明，四根柔索的最大长度误差分别为5.94mm、3.10mm、6.18mm和5.50mm。优化后的康复评价参数均处于合理范围内，能够保证康复运动的安全性与可行性，验证了所提出轨迹规划方法的有效性。

结论

（1）使用运动捕捉技术采集腰部运动数据，针对运动变异性的影响，通过合理性判别消除不合理的数据，并对关键参数进行处理，获得了人体骨盆中心特征点的运动轨迹。

（2）通过五次多项式、摆线轨迹和五次B样条函数进行腰部运动轨迹规划，其中，五次B样条函数规划下的腰部训练轨迹具有较优的运动学特性。

（3）引入三个康复评价参数，进行腰部运动平滑性轨迹规划，在保证腰部运动安全性与可行性的基础上，获得了更好的柔顺性。

（4）搭建柔索驱动并联腰部康复机器人物理样机，模拟腰部康复训练，通过数值分析和实验结果验证了所提出方法的可行性和有效性。

前景与应用

本文提出的柔索驱动腰部康复机器人系统具有实现无人化辅助康复训练的应用潜力。使用运动捕捉技术可以采集人体运动时的关节数据和形体姿态，通过对采集数据的判别分析，剔除不合理数据并进行归一处理，获得符合人体运动特性和康复需求的运动轨迹。基于康复评价参数设计的运动轨迹可以在保障患者运动安全性的基础上，提高运动轨迹的柔顺性，满足不同身材尺寸患者的训练需求。

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主创作者介绍

訾斌，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，合肥工业大学机械工程学院院长、机器人研究所所长。作为项目负责人，主持国家重点研发计划“智能机器人”重点专项、国家自然科学基金等项目20余项，发表学术论文100余篇，出版专著3部，授权发明专利100余件，获安徽省科技进步奖、教育部科学技术奖、中国电子学会技术发明奖、中国机械工业科学技术科技进步奖等省部级科研奖多项，安徽省先进工作者，安徽省政协委员。担任中国机械工程学会机器人分会常务委员、中国机械工程学会机械设计分会常务委员、中国电子学会电子机械工程分会副主任委员、安徽省机器人标准化技术委员会主任委员，安徽省机械行业联合会副会长，担任ASME Journal of Mechanical Design副主编、Chinese Journal of Mechanical Engineering、Mechanical Sciences、机器人、控制与决策等国内外期刊编委。主要研究方向为柔性驱动机器人理论、技术与装备，智能制造系统控制与自动化等。

作者或团队研究方向

合肥工业大学机器人研究所主要开展智能机器人基础理论与关键技术研究，主要研究方向为大空间刚柔耦合机器人、移动机器人、智能复合材料驱动、仿生机器人、康复医疗机器人、高性能工业机器人及应用等。

作者：李元

责任编辑：谢雅洁

责任校对：向映姣

审核：张强

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