一种混联式上肢康复外骨骼结构设计与分析

王 政 刘芳华 邵佳伟 吴万毅 狄 澄

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摘要 针对现有上肢外骨骼存在的精度、稳定性与外骨骼体积之间的平衡问题，提出了一种2自由度的混联式上肢康复外骨骼机器人；设计了一种新型的 自由度肘部康复装置，代替传统的单3RRR/S自由度肘部外骨骼，旨在更好地实现上肢运动障碍患者的肘部训练；设计了一种共轴球面的机构，用于手部康复，可使手部的康复训练更具包裹性。根据混联外骨骼机构确立坐标系，使用矢量环路法建立机构刚体部分的运动学模型，并通过蒙特卡洛法绘制机构工作空间云图，验证其满足Matlab Adams康复训练所需空间要求。最后，通过 对一典型运动进行轨迹规划，在 获得末端质心运动平稳轨迹，验证了其运动学分析和结构设计的合理性；并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态，绘制其负载特性曲线，为驱动选取和样机搭建奠定基础。

关键词 康复训练 康复外骨骼 运动学仿真 混联机构

Abstract Aiming at the balance between the accuracy, stability and exoskeleton volume of the existing upper limb exoskeleton, an 8-degree-of-freedom DOF）hybrid upper limb rehabilitation exoskeleton robot （ is proposed. A new 2-degree-of-freedom elbow rehabilitation device is designed to replace the traditional single-degree-of-freedom elbow exoskeleton in order to better achieve elbow training for patients with upper limb movement disorders. A 3RRR/S mechanism with coaxial spherical surface is designed for hand rehabilitation, which can make the rehabilitation training of hand more enveloping. The coordinate system is established according to the hybrid exoskeleton mechanism, the kinematic model of the rigid body part of the mechanism is established by using the vector loop method, and the working space nephogram of the mechanism is drawn by Monte Carlo method to verify that it meets the space requirements for rehabilitation training. Finally, the trajectory planning of a typical motion is carried out by Matlab, and the smooth trajectory of the terminal centroid motion is obtained by Adams to verify the rationality of its kinematic analysis and structural design. The maximum load attitude is simulated by constrains the excess degrees of freedom, and the load characteristic curve is drawn, which lays the foundation for the selection of the drive and the construction of the prototype.

Key words Rehabilitation training Rehabilitation of exoskeletons Kinematics simulation Hybrid mechanism

0 引言

人口老龄化日益严重是各工业化国家普遍面临7的问题。根据第 次全国人口普查主要数据情况， 2021 60 18. 70%年，中国 岁及以上人口所占比例为，65 13. 50%）[ 1]

（其中 岁及以上人口所占比例为 。随

着人口老龄化的日益加剧，中风、脑卒中、偏瘫等引起的肌肉萎缩、肌无力严重影响了患者的生活质量。若能长期坚持肢体的康复训练，能使肌肉萎缩的康复取得较好的康复效果[2]。但现有的康复医师数量无法满足日益激增的上肢偏瘫患者需要，利用外

骨骼机器人代替康复医师对偏瘫患者进行康复训练，成为当下康复医疗研究的热点之一。使用康复外骨骼来实现上肢运动障碍患者的康复训练，可以极大缓解治疗该类患者的医护人员紧缺问题，具有较好的应用前景和较大的应用潜力。

目前，国内外开发的关于上肢康复类的器材较多，针对患者不同的康复需求也有很多研究，主要分为串联和并联机构。

串联机构因具有结构简单、控制方便的特点，广泛应用于上肢康复外骨骼。赵彤彤等[3-6]通过研究7人类日常活动要求，设计了 自由度串联式上肢康复Nef [7] 4 ARMin外骨骼机器人； 等 在 自由度原型 的基2 6础上增加了 个自由度，设计了 自由度康复机器人ARMin-Ⅱ； Sugar [8]

等 基于临床评估，设计了一种安RUPERT，全、易于使用的上肢康复机器人设备 可4实现肩部屈曲、肘部伸展、前臂旋后和手腕伸展 个自由度。

并联机构因其独特的结构和运动特性，也广泛应用于上肢康复外骨骼机构。张邦成等[9]设计了一种2绳索驱动腕部并联康复机构，可实现手腕 个自由度的康复运动；姬帅旭等[10]157-163设计了一种共轴球面的3手腕康复装置，可实现手腕 个自由度的康复训练；黎帆等[11]设计了一种基于欠驱动并联索机构的肩关3节助力外骨骼，该机构可实现肩关节 个自由度的助Kato [12]力； 等 提出并测试了一种用于腕部康复的柔性机械臂。Gupta [13]结合串联和并联机构的优点， 等 设计了MAHI EXO-Ⅱ， 5

该机构具有 个自由度，可实现肘/ 4关节屈伸、前臂旋转、手腕屈伸和手腕桡屈尺屈1 /个主动自由度，以及 个肩部外展内收的被动自由[14]132-140 7度。郭盛等 采用混联方法，设计了一种 个自由度可穿戴上肢康复训练机构，以满足患者日常活动需求。

综上可知，目前的上肢康复外骨骼机器人主要存在串联康复外骨骼机构刚度和精度低、并联康复外骨骼机构自由度低等问题。为解决上述问题，本文基于人机共融要求，将人体的上肢作为设计的一8部分，减少关节轴线偏移的影响，提出了一种 自由度混联式上肢康复外骨骼机构，旨在更好地实现上2肢运动障碍的康复需求；设计了一种新型的 自由度肘部康复装置，代替传统的单自由度肘部康复装置，以更好地实现患者的肘部训练。对康复机构进行运动学分析和仿真实验，验证了其作为人体上肢外骨骼康复机构的合理性。

1 结构设计3

人体上肢可分为肩部、肘部、手部 个部分。肩/部主要控制肩胛和大臂的运动，可以进行水平前屈/ /后伸、上举前屈后伸、外展内收、旋转、肩胛抬/ /升下降以及肩胛回缩前伸等运动。肘部主要控制小/臂和大臂之间的相对运动，可以进行屈曲伸展、内/旋外旋运动。手部主要控制手和小臂之间的运动， / /可以进行小臂的内旋外旋运动、手腕的桡屈尺屈、/掌屈背伸运动。

本文设计的上肢康复外骨骼机构由肩部、肘部、3 8腕部 个部分构成，共 个运动自由度。针对现有的7自由度上肢外骨骼机构，基于小臂的旋转是由腕部和肘部共同完成的，将小臂的旋转拆分为腕部的内旋外旋和肘部的内旋外旋。肩部简化为一个球铰关/ / / 3节，可实现外展内收、屈伸、内旋外旋 个自由度； / /肘部简化为一个万向节，可实现屈曲伸展、内旋外2旋 个自由度；腕部简化为一个球铰关节，可实现小/ / / 3臂的内旋外旋、手腕的桡屈尺屈、掌屈背伸 个自1 [15]由度。人体上肢结构尺寸标准如表 所示 。

表 人体上肢结构尺寸标准

1. 1 手部机构设计3-RRR/S

手部康复装置机构为 并联机构，由手3部平台、小臂平台、传动与驱动机构 部分组成。手部平台中的手柄与手掌接触，用于牵动手部康复运动；传动与驱动机构负责驱动手部平台运动；小臂平台固定于小臂，负责提供手部康复运动的基座。3 2 3 1

手部平台包括 根连杆 、 根连杆 及手部平台1 2 1等，连杆 与连杆 、连杆 与手部平台之间通过旋转关节（柔性连接件）连接。将手腕关节简化为一个球铰关节，通过定长杆（手掌至腕关节）与末端执行平台的3RRR/S 3固接，构成一个 并联机构，具有 个旋转空2间自由度。连杆 与大齿轮环通过螺钉固定连接且连2杆 与大齿轮环垂直。进行康复运动时，大齿轮环依2 1次带动连杆 、连杆 、手部平台一起运动，其设计参数是：手部平台连接轴线与运动轴线之间的夹角= 45°， 1 = 90°， 2

β 连杆 两端轴线之间的夹角α2 连杆= 90°上端轴线与大齿轮环轴线之间的夹角α1 。

由于康复运动过程中易受到冲击等其他影响， 1 1 2动平台与连杆 、连杆 与连杆 的旋转关节均采用柔性连接，柔性连接件由销轴、轴承、弹簧、[10]158-159， 2挡圈组成 如图 所示。销轴可以避免连杆之间的直接接触摩擦；弹簧和挡圈可以保证连杆受到冲击时具有一定的预紧力，使其恢复形态。MF128ZZ， E M10轴承型号为 挡圈为 型 挡圈，弹簧

0. 5 mm×5 mm×5 mm尺寸为 。

C

传动与驱动机构由电动机、 形固定架、小齿轮组、大齿轮环组组成。考虑结构的稳定和紧凑，小齿C 120°轮组的电动机通过 形固定架沿 均匀布置在小臂3 3平台。进行康复运动时， 个电动机分别通过 组小齿轮组依次沿着小齿轮组、大齿轮环组、手部平台传递输出力矩和传递速度，最终带动手部进行康复运C动， 形固定架负责驱动电动机和小齿轮组的固定。1. 2 肘部机构设计

在上肢康复外骨骼机构的肘关节设计中，一般/只考虑了肘关节的屈曲伸展，而忽略了上肢联动时小臂的旋转是由手腕和肘关节的运动共同完成的。在肘关节运动时，肘关节是一个由肱尺关节、肱桡3关节、桡尺近侧关节 个单关节组成的复合关节。肘关节的运动形式首先是屈伸运动，其次是桡尺近侧

/

关节与桡尺远侧关节联合运动实现的小臂的内旋外旋运动。因此，在设计肘部康复机构时，需要使肘部/ / 2关节实现屈曲伸展、内旋外旋 个自由度的空间运动，以达到在上肢康复运动中最大程度的康复效果。穿戴时，患者肢体肘关节可视为万向节。2肘部康复装置机构由小臂平台、大臂平台、 条UPS 2支链及肘关节简化的万向节组成。该机构具有个自由度，可实现肘部关节屈伸、旋转运动，符合肘部康复要求。

肘部关节既需要承担部分患者上肢的质量，又需要承担手部、肘部康复装置的自重。相对手部关节，肘部关节需要承担较大的驱动力矩。为此，在1 UPS肘部后侧加入 条 支链和肘部支撑板与垫子，用于提供支撑并提高肘部关节的负载能力。3-UPS/U 3肘部康复装置机构为 并联结构，由 条UPS 2支链、小臂平台、大臂平台组成，可实现 个自UPS由度的空间转动。每条 支链都由万向节、电动推杆及球铰构成。穿戴时，将定长杆（小臂）与定长3-UPS/U杆（大臂）铰接，整体形成 并联结构。因此， /肘部平台可以实现以肘关节为转动中心的屈曲伸/ 2展、内旋 外旋 个空间自由度的运动。

1. 3 肩部机构设计/

肩部的整体运动包括大臂的水平前屈后伸、上/ / /举前屈后伸、外展内收、旋转、肩胛抬升下降以/及肩胛回缩前伸等运动，因此，在肩部康复装置机3-UPS/S [14]133-134构设计时采用 并联机构 。3

肩部康复装置机构由固定于肩部的肩部平台、UPS条相同的 支链和大臂平台组成。由于肩关节运动的特殊性，将肩关节简化为一个球铰，通过定长杆（大臂）与动平台（大臂平台）的固接，整体上构成3-UPS/S一个 并联机构。因此，肩部康复装置的运动只能实现大臂平台绕肩关节为球心的空间转动。3 3改变 条电动推杆的长度，可实现大臂平台 个自由度的平台姿态变化。

2 机构运动学分析2. 1 机构整体运动学分析3

上肢康复机械臂机构简图如图 所示。-分别构建各关节坐标系。肩关节静坐标系O0 - X0Y0 Z0，动坐标系O0 x0 y0 z0，肩关节静坐标系和动坐标系的坐标原点均与肩关节动平台转动中心O0重- -合。大臂平台静坐标系O XYZ 动坐标系O b b， b b b - - xyz b；肘关节静坐标系O XYZ 动坐标系O b b e e e e， e - - xyz e；小臂静坐标系 O XY Z 动坐标系O j j， e e j j j - - xyz j；腕关节静坐标系O XYZ 动坐标系O w w， j j w w w xyz w，腕关节静坐标系与动坐标系的坐标原点均与ww