气动人工肌肉驱动的上肢康复外骨骼机器人设计与控制

doi:10.3901/JME.2025.03.225

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (3): 225-236.doi: 10.3901/JME.2025.03.225

• 机器人及机构学 • 上一篇

扫码分享

气动人工肌肉驱动的上肢康复外骨骼机器人设计与控制

秦岩丁^1,2, 范迦得^1,2, 张浩琦^1,2, 田孟强³, 韩建达^1,2

1. 南开大学人工智能学院天津 300350;
2. 南开大学深圳研究院深圳 518083;
3. 天津市人民医院关节与运动医学科天津 300121

收稿日期:2024-03-31 修回日期:2024-10-11 发布日期:2025-03-12
作者简介:秦岩丁，男，1983年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为医疗与康复机器人、微纳操作机器人。E-mail:qinyd@nankai.edu.cn;范迦得，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为外骨骼机器人。E-mail:2120220471@mail.nankai.edu.cn;张浩琦，女，1998年出生，博士研究生。主要研究方向为医疗机器人。E-mail:2120200408@mail.nankai.edu.cn;田孟强，男，1972年出生，硕士，主任医师。主要研究方向为骨性关节炎，肩袖损伤，医疗机器人。E-mail:tmqjoint@126.com;韩建达(通信作者)，男，1968年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为医疗机器人、移动机器人。E-mail:hanjianda@nankai.edu.cn
基金资助:
天津市自然科学基金(21JCZDJC00090)和国家自然科学基金(U1913208)资助项目。

Design and Control of a Pneumatic Artificial Muscle Actuated Exoskeleton Robot for Upper Limb Rehabilitation

QIN Yanding^1,2, FAN Jiade^1,2, ZHANG Haoqi^1,2, TIAN Mengqiang³, HAN Jianda^1,2

1. College of Artificial Intelligence, Nankai University, Tianjin 300350;
2. Shenzhen Research Institute of Nankai University, Shenzhen 518083;
3. Department of Joint and Sport Medicine, Tianjin Union Medical Center, Tianjin 300121

Received:2024-03-31 Revised:2024-10-11 Published:2025-03-12

摘要/Abstract

摘要： 面向上肢康复与辅助运动，研制了一款基于气动人工肌肉(PAM)驱动的上肢康复外骨骼机器人。与纯刚性驱动不同，该外骨骼机器人使用PAM与刚性连杆，同时实现了柔顺驱动与高精度运动，有助于降低在康复过程中对用户造成二次伤害的概率。在结构设计上，该外骨骼采用直驱和绳驱相结合的方式，实现了肩肘关节运动的三个自由度。该外骨骼结构紧凑，可以满足可穿戴的要求。完成了该外骨骼的运动学建模，并基于PAM的三元素模型和拉格朗日方法完成了动力学建模。针对PAM的迟滞非线性，将直接逆模型法与自适应投影算法相结合，实现了无须离线建模与求逆的自适应迟滞补偿。最后，通过迟滞补偿实验与抗干扰实验完成了原理性验证。实验表明，研制的外骨骼兼具柔顺性和高运动精度，可以满足上肢康复与辅助运动的需求。

关键词: 气动人工肌肉, 上肢外骨骼, 康复机器人, 迟滞补偿

Abstract: A pneumatic artificial muscle (PAM) actuated exoskeleton is developed for upper limb rehabilitation and augmentation. Different from rigid actuation, the developed exoskeleton combines PAM and rigid link to achieve both flexible actuation and high-precision movement. This helps to reduce the risk of unwanted injury to users during the rehabilitation process. In structural design, a combination of direct driven and cable driven is adopted to provide 3 degrees-of-freedom actuation for the shoulder and elbow joints. The compact structure helps to facilitate its wearability. This research presents the kinematics modeling of the exoskeleton, and dynamic modeling is then finished using the three-element model of PAM and Lagrange method. For the hysteresis nonlinearity of PAM, the combination of direct inverse modeling and adaptive projection algorithm is adopted to achieve adaptive hysteresis compensation without offline modeling and inversion. Finally, the feasibility of the exoskeleton and the proposed controller is verified via hysteresis compensation and anti-interference experiments. Experimental results show that the developed exoskeleton features both flexible actuation and high motion accuracy, satisfying the needs of upper limb rehabilitation and augmentation.

Key words: pneumatic artificial muscle, upper limb exoskeleton, rehabilitation robot, hysteresis compensation

中图分类号:

TG156

秦岩丁, 范迦得, 张浩琦, 田孟强, 韩建达. 气动人工肌肉驱动的上肢康复外骨骼机器人设计与控制[J]. 机械工程学报, 2025, 61(3): 225-236.

QIN Yanding, FAN Jiade, ZHANG Haoqi, TIAN Mengqiang, HAN Jianda. Design and Control of a Pneumatic Artificial Muscle Actuated Exoskeleton Robot for Upper Limb Rehabilitation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(3): 225-236.

参考文献

[1] MINAGAWA H，YAMAMOTO N，ABE H，et al. Prevalence of symptomatic and asymptomatic rotator cuff tears in the general population:From mass-screening in one village[J]. Journal of Orthopaedics，2013，10(1):8-12.
[2] TANG Z C，YANG H C，ZHANG L K，et al. Effect of shoulder angle variation on sEMG-based elbow joint angle estimation[J]. International Journal of Industrial Ergonomics，2018，68:280-289.
[3] 李响，周人龙，张洪蕊，等. 上肢机器人对肩袖损伤术后患者的疗效观察[J]. 中国康复，2022，37(7):410-413. LI Xiang，ZHOU Renlong，ZHANG Hongrui，et al. Efficacy of upper limb robot in patients after rotator cuff injury[J]. Chinese Journal of Rehabilitation，2022，37(7):410-413.
[4] FASOLI S E，KREBS H I，STEIN J，et al. Effects of robotic therapy on motor impairment and recovery in chronic stroke[J]. Archives of Physical Medicine and Rehabilitation，2003，84(4):477-482.
[5] XU B G，PENG S，SONG A G，et al. Robot-aided upper-limb rehabilitation based on motor imagery EEG[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems，2011，8(4):88-97.
[6] PIRONDINI E，COSCIA M，MARCHESCHI S，et al. Evaluation of the effects of the arm light exoskeleton on movement execution and muscle activities:A pilot study on healthy subjects[J]. Journal of NeuroEngineering and Rehabilitation，2016，13:9.
[7] 申慧敏，葛瑞康，葛迪，等. 基于肩部协同运动特征的康复外骨骼设计与人机相容性分析[J]. 机械工程学报，2022，58(19):34-44. SHEN Huimin，GE Ruikang，GE Di，et al. Rehabilitation exoskeleton design and human-machine compatibility analysis based on shoulder co-movement characteristics[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(19):34-44.
[8] 程杨，潘尚峰. 一种多自由度康复外骨骼机械臂的虚拟分解控制[J]. 机械工程学报，2022，58(9):21-30. CHENG Yang，PAN Shangfeng. Virtual decomposition control of multi-degree-of-freedom rehabilitation exoskeleton robotic arm[J]. Journal of Mechanical Engineering，2022，58(9):21-30.
[9] 宋遒志，王晓光，王鑫，等. 多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析[J]. 兵工学报，2016，37(1):172-185. SONG Qiuzhi，WANG Xiaoguang，WANG Xin，et al. Analysis of the development status and key technologies of multi-articular exoskeletons to assist robots[J]. Acta Armamentarii，2016，37(1):172-185.
[10] BOGUE R. Exoskeletons and robotic prosthetics:A review of recent developments[J]. Industrial Robot-an International Journal，2009，36(5):421-427.
[11] KLEIN J，SPENCER S，ALLINGTON J，et al. Optimization of a parallel shoulder mechanism to achieve a high-force，low-mass，robotic-arm exoskeleton[J]. IEEE Transactions on Robotics，2010，26(4):710-715.
[12] CHEN S，CHEN Z，YAO B，et al. Adaptive robust cascade force control of 1-DOF hydraulic exoskeleton for human performance augmentation[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2017，22(2):589-600.
[13] VO-MINH T，TJAHJOWIDODO T，RAMON H，et al. A new approach to modeling hysteresis in a pneumatic artificial muscle using the Maxwell-slip model[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2011，16(1):177-186.
[14] TANG Z，ZHANG K，SUN S，et al. An upper-limb power-assist exoskeleton using proportional myoelectric control[J]. Sensors (Basel)，2014，14(4):6677-6694.
[15] XING K X，XU Q，HE J P，et al. A wearable device for repetitive hand therapy[C]// 2nd IEEE RAS-EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics. Piscataway，USA:IEEE，2008:919-923.
[16] JIANG X Z，HUANG X H，XIONG C H，et al. Position control of a rehabilitation robotic joint based on neuron proportion-integral and feedforward control[J]. Journal of Computational and Nonlinear Dynamics，2012，7(2):024502.
[17] XIONG C H，JIANG X Z，SUN R L，et al. Control methods for exoskeleton rehabilitation robot driven with pneumatic muscles[J]. Industrial Robot-an International Journal，2009，36(3):210-220.
[18] MENG W，LIU Q，ZHANG M M，et al. Compliance adaptation of an intrinsically soft ankle rehabilitation robot driven by pneumatic muscles[C]// IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM)，F，2017.
[19] HUSSAIN S，XIE S Q，JAMWAL P K. Robust nonlinear control of an intrinsically compliant robotic gait training orthosis[J]. IEEE Transactions on Systems Man Cybernetics- Systems，2013，43(3):655-665.
[20] 谢胜龙，刘海涛，梅江平. 气动人工肌肉迟滞-蠕变特性研究现状与进展[J]. 系统仿真学报，2018，30(3):809-823. XIE Shenglong，LIU Haitao，MEI Jiangping. Research status and progress of aerodynamic artificial muscle retardation-creep characteristics[J]. Journal of System Simulation，2018，30(3):809-823.
[21] REYNOLDS D B，REPPERGER D W，PHILLIPS C A，et al. Modeling the dynamic characteristics of pneumatic muscle[J]. Annals of Biomedical Engineering，2003，31(3):310-317.
[22] ZHANG D H，ZHAO X G，HAN J D. Active model-based control for pneumatic artificial muscle[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2017，64(2):1686-1695.
[23] QU S C，XIA X H，ZHANG J F. Dynamics of discrete-time sliding-mode-control uncertain systems with a disturbance compensator[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(7):3502-3510.
[24] ZOU J，YAN P N，DING N Y，et al. Feedback-cascaded inverse feedforward for viscoelastic creep，hysteresis and cross-coupling compensation in dielectric-elastomer actuated XY stages[C]//IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics(AIM)， 2017.
[25] LI Z，SHAN J J，GABBERT U. A direct inverse model for hysteresis compensation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2021，68(5):4173-4181.
[26] QIN Y D，TIAN Y L，ZHANG D W，et al. A novel direct inverse modeling approach for hysteresis compensation of piezoelectric actuator in feedforward applications[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2013，18(3):981-989.
[27] QIN Y D，DUAN H，HAN J D. Direct inverse hysteresis compensation of piezoelectric actuators using adaptive kalman filter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2022，69(9):9385-9395.
[28] 秦岩丁，徐圆凯，韩建达. 气动人工肌肉驱动的肘关节辅助机器人迟滞补偿[J]. 机器人，2021，43(4):453-462. QIN Yanding，XU Yuankai，HAN Jianda. Pneumatic artificial muscle-driven elbow assist robot hysteresis compensation[J]. Robot，2021，43(4):453-462.
[29] QIN Y D，DUAN H. Single-neuron adaptive hysteresis compensation of piezoelectric actuator based on Hebb learning rules[J]. Micromachines (Basel)，2020， 11(1):84.

气动人工肌肉驱动的上肢康复外骨骼机器人设计与控制

Design and Control of a Pneumatic Artificial Muscle Actuated Exoskeleton Robot for Upper Limb Rehabilitation

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	张禹泽, 赵竞夫, 赵振伟, 康荣杰, 戴建生, 宋智斌. 面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 111-122.
[2]	姚玉峰, 裴硕, 郭军龙, 王佳佳. 上肢康复机器人研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 115-134.
[3]	尹帅, 石斌, 孙逸凡, 槐雅萍, 王晶. 轻量化自适应柔性踝关节康复机器人设计与评估[J]. 机械工程学报, 2022, 58(9): 10-20.
[4]	卢浩, 王洪波, 冯永飞. 下肢康复机器人人机耦合动力学建模和主动柔顺控制[J]. 机械工程学报, 2022, 58(7): 32-43.
[5]	卢宗兴, 苏永生, 东辉, 李胤增, 赵栋哲. 基于足底力反馈的踝关节主被动康复策略[J]. 机械工程学报, 2022, 58(21): 50-59.
[6]	王文东, 肖孟涵, 孔德智, 郭栋, 袁小庆, 张鹏. 基于人机耦合模型的上肢康复外骨骼闭环PD迭代控制方法[J]. 机械工程学报, 2021, 57(21): 11-21.
[7]	李海利, 姚建涛, 张泰铭, 周盼, 柳春烨, 陈新博. 大负载气动软体末端执行器的设计与分析[J]. 机械工程学报, 2020, 56(3): 56-63.
[8]	李海源, 刘畅, 严鲁涛, 张斌, 李端玲, 张勤俭. 上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究[J]. 机械工程学报, 2020, 56(19): 200-209.
[9]	李剑锋, 张凯, 张雷雨, 张子康, 左世平. 并联踝康复机器人的设计与运动性能评价[J]. 机械工程学报, 2019, 55(9): 29-39.
[10]	李元, 訾斌, 孙智. 基于伪刚体模型的腰部训练装置的运动学分析[J]. 机械工程学报, 2019, 55(23): 67-74.
[11]	王琦珑, 王伟, 郝大贤, 贠超. 编织型气动人工肌肉迟滞现象建模与应用[J]. 机械工程学报, 2019, 55(21): 73-80.
[12]	杨扬, 肖晓晓, 南卓江, 刘娜, 李小毛, 彭艳. 刚-柔耦合仿生手指设计及运动学特性[J]. 机械工程学报, 2019, 55(11): 105-113.
[13]	姚建涛, 李海利, 曹开彬, 陈新博, 周盼, 赵永生. 柔性可穿戴腕部动力手套的设计与分析[J]. 机械工程学报, 2018, 54(19): 1-9.
[14]	陈煜宇, 刘磊, 李博, 魏超, 王树新, 李涤尘. 柔性驱动与刚度可调结构/功能一体化微创手术操作臂设计制造与性能研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(17): 53-61.
[15]	陈桥, 訾斌, 孙智, 王宁, 李舒怡, 罗晓琪. 柔索驱动并联腰部康复机器人设计、分析与试验研究[J]. 机械工程学报, 2018, 54(13): 126-134.