用于自适应手臂支撑的紧凑型 3D 末端执行器辅助机器人设计与评估

我们开发了一款 3D 末端执行器型上肢辅助机器人，命名为辅助机械臂延伸器（ARAE），它提供透明运动和自适应手臂支撑控制，以在真实环境中实现居家治疗和训练。所提出的系统由五个自由度组成，包括末端执行器模块处的三个主动电机和两个被动关节。系统的核心结构基于并联机构。详细阐述了运动学和动力学建模。所提出的自适应手臂支撑控制框架基于在 3D 空间中估计的人体手臂姿态来计算补偿力。它首先使用两种提出的方法估计人体手臂关节角度：固定躯干模型和矢状面模型，且无需使用 IMU、磁传感器或深度相机等外部传感器。通过实验评估了所提出的两种角度估计方法的性能。然后，将估计的人体关节角度输入到人体上肢动力学模型中，以推导出由机器人产生的所需支撑力。测量了肌肉活动以评估所提出框架的效果。当参与者在 ARAE 的自适应手臂重力补偿控制框架下进行测试时，表现出肌肉活动的显著减少。总体结果表明，ARAE 系统与所提出的控制框架相结合，具有提供自适应手臂支撑的潜力。这种集成能够实现日常生活活动（ADLs）的有效训练以及与真实环境的交互。