变刚度关节机构设计与变阻抗增益控制仿真研究

随着我国人口老龄化日益严重，脑卒中的发病人数也持续扩增，绝大部分幸存患者存在上肢运动功能障碍。传统的康复机器人采用刚性驱动，无法有效应对卒中患者康复训练过程中的痉挛与震颤，训练效果较差。本文针对康复机器人的康复训练的有效性与安全性，基于特殊曲面原理，采用凸轮–弹簧–滚子机构作为变刚度关节的刚度调节机构，并设计了一种双电机并联驱动的变刚度关节。其次，基于所设计关节的动力学模型研究其阻抗控制方法。然后基于人肘关节解剖学数据与Hill肌肉模型对肘关节主动力矩进行估计，并根据力矩估计值通过刚度调节电机对关节刚度进行预调节。最后，对变刚度关节的静态刚度特性进行实验验证，并在MATLAB中搭建了Simulink仿真模型，对其变刚度控制特性进行仿真实验。结果表明，研究设计的变刚度关节的变刚度特性良好，验证了变刚度控制器及运动阻抗控制器的有效性。

人口老龄化与医疗技术的发展，导致卒中等疾病引起的上肢运动功能障碍患者正在迅速的增加[1]。

而传统康复医师一对一的康复方法不仅效率低，且康复医师劳动强度高，此外，康复医师的极度缺乏， 也使得世界范围内的康复负担加剧。随着机器人技术的不断革新，采用机器人辅助康复治疗成为了一种行之有效的方法[2]。

传统的外骨骼机器人通常由具有高减速比的刚性驱动器驱动，如Nam 等设计的Spastic elbow and wrist Exoskeleton [3]， 其在运动和定位方面具有高精度和稳定性， 诸如此类刚性驱动器可以实现精确的位置控制。然而高减速比会导致高输出阻抗，当没有连续控制时，其机械本体呈现高刚度，患者难以驱动外骨骼，特别是当患者在康复过程中发生痉挛与震颤时，很难保证患者的安全。为了解决该类问题，研究人员开发了用于外骨骼的串联弹性驱动器(SEA) [4]。

虽然SEA 在人机交互任务中能够实现较好的阻抗特性，但由于其带宽有限及刚度恒定，导致其难以应用于上肢康复机器人中。为了解决该问题，在引入柔性元件的基础上，研究人员根据人体肌肉骨骼系统运动过程中刚度可变的特性，设计了能够通过驱动器内部的刚度调节机构实现刚度调节的变刚度驱动器(VSA)，这使得VSA 具备一定的机械柔顺性。因此VSA 不仅能够储存能量，还能在发生碰撞时起到缓冲作用，能够有效的保证患者在康复过程中的安全性与舒适性[5]。