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随着中国老龄化进程逐年加快,我国现阶段医护水平和医疗康复设备还远不能满足脑卒中患者康复训练需求。传统的人工辅助康复疗法依赖于理疗师的实践经验和劳动强度,很难满足患者所需的长时间、高强度重复运动训练。近二十年来,机器人技术在运动康复领域得到了崭新的应用和发展,诞生了一系列运动康复训练设备,而外骨骼机器人采用与人体关节和肢体一致的运动学结构,通过人机物理交互和感知交互实现外骨骼机器人与穿戴者之间的能量和信息传递,达到康复训练目的。与传统人工康复训练相比,外骨骼机器人具有持续时间长、重复精度高、训练数据可视化和模式多样化等优势。为此,欧美、日本等国家和地区相继研究和发展运动康复外骨骼机器人。我国脑卒中人口基数庞大,老龄人口增加,康复训练任务繁重,研究运动康复外骨骼机器人关键技术具有重要的科学意义和广阔的应用前景。论文针对上肢外骨骼机器人的人机交互应用环境和研究发展需求,分析人体上肢生理结构和运动控制机理,提出运动自适应物理交互和感知交互模式的几个关键技术和难点并展开研究。论文研究了人体上肢生理运动机理,以神经-肌肉-骨骼系统为基础分析了上肢生理结构和运动控制机理,描述了肩、肘、腕三关节的运动形式,并重点分析了肩部复合关节中盂肱关节旋转中心的空间位置变化规律。建立并参数化描述上肢七自由度运动学模型。以喝水动作为例研究了上肢运动控制的冗余性及其解决方法。运动自适应物理交互是指在康复训练过程中,外骨骼机器人机械关节运动始终适应人体生理关节运动,表现为两者旋转中心/旋转轴保持重合,形成人机闭式运动链,具有良好的人机运动学相容性。论文以肩部复合关节为例,基于人体运动捕捉技术,运用肢体运动功能算法定量描述盂肱关节旋转中心在不同肱部姿态下的空间位置。据此优化设计传统三自由度球窝关节,通过偏移肩部屈/伸和内收/外展旋转轴确定了一种新型自适应结构,关节自身的连续运动改变了外骨骼机器人肩关节的旋转中心,获得旋转中心的空间运动曲面。定义了表征外骨骼机器人肩关节与生理肩关节匹配程度的旋转中心相容性指标,并得到最优匹配程度下外骨骼机器人肩关节的设计参数。设计并制造了具有运动自适应特性的肩关节外骨骼机器人样机,通过脑卒中患者穿戴试验测得优化前后人机物理接触力变化情况,验证了通过设计运动自适应球窝关节提高上肢外骨骼机器人的运动学相容性的可行性和有效性。上肢生理运动控制系统依具有任务空间、关节空间和肌肉空间的运动冗余性,而协同运动模式通常被认为是中枢神经系统解决运动冗余性的有效方法。本文从人体行为科学角度分析上肢执行具体任务时关节协同运动模式,运用主成分分析方法研究了典型的点到点触碰动作,得到可解释超过95%数据信息的三个主要成分及其子空间。分析获得了主要关节中肩部内收与肘部屈曲的线性协同运动模式,为设计运动自适应感知交互模式提供基础。运动自适应感知交互是指,为了让患者在康复训练过程中适应正常关节协同运动模式,纠正自身异常关节运动模式,上肢外骨骼机器人的主要关节应该满足线性协同运动模式,相互适应,相互配合,共同完成任务动作。参考传统康复训练疗法,开发了四种康复训练方式:重复运动、镜像运动、示教运动和任务动作等训练方式,并在运动自适应上肢外骨骼机器人中实现。基于运动自适应物理交互和感知交互模式,论文从机械结构、智能控制策略和人机交互等三方面着手开发研制了运动自适应上肢运动康复外骨骼机器人样机,并进行了系统功能论证实验和脑卒中患者临床实验。验证了外骨骼机器人系统的训练可靠性和四种康复训练方式的可行性,为今后更加深入研究和大规模推广康复训练外骨骼机器人提供了可靠的理论依据和技术支持。