三自由度上肢机械助力外骨骼模型设计
摘 要
机械外骨骼是近年来的研究热点，从各类康复机器人的研制到军事上机械战甲的开发，各类成果见诸报端，机械外骨骼的主要功能是协调运动，提供助力，使运动更加轻松省力。随着我国老年人口的增多以及庞大的残疾人口基数，机械外骨骼的研制在我国有着现实的意义。本次设计主要针对医院，敬老院和普通家庭的日常护理，帮助护工照顾失去运动能力的老年人和病患，协助其完成对病人的翻身，转移病床和将病人抱到轮椅上等基本的护理工作。通过查询中国成年人口平均身体尺寸，估算一个大致的尺寸数据，采用三维建模软件UG进行模型制作，并通过计算校核，设计满足要求的弹簧，最后将三维图形装配起来，验证本次机械外骨骼的合理性。为了实现协调助力的目的，本次设计的机械外骨骼在关节处采用了创新的机械结构，外部的大轮嵌套在内轮上，弹簧内置，既保证了材料的刚度强度要求，又保证了结构的合理性。随着科学技术的提高，机械外骨骼助力系统朝着更加先进化，智能化和小型化的方向发展，新材料新加工工艺的采用，人工智能的应用都在促使此类研究的不断发展。
关键词：机械上肢外骨骼；三维建模；助力；压缩弹簧；护理
Three - degree - of - freedom upper limb machinery for external
skeletal design
Abstract
Mechanical exoskeleton is a hot research topic in recent years, the development of various
types of rehabilitation robots into military mechanical armor development, all kinds of results
reported in the newspapers, the main function of mechanical exoskeleton is the coordinated
外骨骼康复机器人的设计与控制研究
随着人口老龄化的加剧以及各种意外事件的频繁发生，患者的康复需求越来越高。传统的康复方法需要庞大的人力和物力，并且难以充分满足患者的需求。因此，外骨骼康复机器人的设计与控制研究已经成为一种新的趋势。
外骨骼康复机器人是一种可以与人体直接接触的机器人，可以帮助人体的运动功能进行康复。它主要由运动控制系统、力/传感系统和行走算法等组成。其中，运动控制系统是整个系统最重要的组成部分，它通过电动驱动器和传感器实现对运动平衡的控制，并可自适应调整每个关节的运动角度和力矩，在实现康复的同时，避免了对运动组织的二次伤害。
外骨骼康复机器人的设计具有许多挑战性问题，包括结构设计、动力学建模与控制算法设计等。其中，结构设计是影响机器人性能的一个重要因素。机器人的外形、材料和布局应该能够充分考虑人体结构的特点，具有良好的适应性和舒适性。同时，由于机器人所承受的载荷较大，因此结构必须具有足够的强度和刚度。
动力学建模是外骨骼康复机器人控制算法设计的基础。 它通过建立机器人与人体的动力学模型，以预测人体的运动状态和相应的力矩，从而实现良好的控制性能。同时，由于人体的运动状态和运动模式具有相互影响的特性，因此在设计控制算法时必须考虑人体的运动状态和运动模式对机器人的影响。
控制算法设计是外骨骼康复机器人的关键技术之一。 它主要包括姿态控制、步态规划、力矩控制和反馈控制等。其中，姿态控制主要是调整机器人的关节角度，以使人体运动回路达到平衡；步态规划主要是确定每一步的运动目标和运动轨迹，以实现平稳的步态；力矩控制主要控制机器人与人体之间的力矩转换，以实现合适的支撑和摆动；反馈控制主要是通过传感技术反馈机器人与人体之间的力量信息，以实现精准的运动控制。 外骨骼康复机器人的研究具有广阔的发展前景。它可以帮助患者恢复行动能力，减轻护理人员的工作负担，同时也可以有效降低医疗成本。然而，外骨骼康复机器人的开发仍面临许多挑战。未来，应加强各技术领域的交叉应用，加强外骨骼康复机器人系统的开发和创新，以帮助更多的患者恢复康复能力。
外⾻骼式上肢康复训练机器⼈设计
科技论坛在我国，由于脑卒中发病导致肢
体运动障碍，传统的康复训练和理疗
⽅法很难保证患者康复治疗的有效
性，已经⽆法满⾜患者⼈群⽇益增长
的康复治疗需求，并且在我国医疗产
品的设计环节还存在⼀些不⾜之处。
由于我国已经全⾯提出医疗体制框
架改⾰，完善医疗服务⽹络，并投⼊
资⾦⼤⼒⽀持医疗科学研究，以促进
我国医疗卫⽣事业发展，医疗事业的蓬勃发展为医疗器械、设备产业的发
展提供了好的条件。肢体康复机器⼈成为各⼤⾼校和研究部门研究的热点。基于这⼀应⽤背景，本课题在结合⾻科康复医学的基础上
进⾏了⼀种能辅助⼈体⼿臂进⾏康复训练的外⾻骼式上肢康复机
器⼈外观设计。本项设计参加了全国三维数字化创新设计⼤赛龙⿍奖，设计夺得了⿊龙江赛区⼆等奖。
１设计⽬的及其意义
本项⽬设计的⽬的在于外⾻骼上肢康复训练机器⼈设备各项功能正常运作的前提下，设计出美观，给⼈适感的外观造型，对本产品进⾏外观设计能够满⾜消费者和使⽤者对产品⽇益提⾼的视觉
审美和⼼理需求。
设计的意义在于能够给予患者温暖的使⽤体验和更多⼈⽂关怀，更好地在⾝⼼上同时帮助患者康复，能够更好地适应⽇益改善
的⼈性化的医疗环境。
２研究现状
２．１ＤＩＨ蝶和医疗ＲｅｏＧｏ。ＤＩＨ蝶和医疗ＲｅｏＧｏ配备专⽤训练坐椅及背⼼⼿腕⽀撑，为痉挛和肌⽆⼒患者提供了⼈性化设计具有互动３Ｄ图标训练模式和⽣物反馈功能，多种训练游戏，增强患者主动运动意识，提⾼患者训练兴趣。
２．２美国亚利桑那⼤学ＲＵＰＥＲＴ。该机器⼈特点是可穿戴在⼈⾝体上，⾃由度⼤⼤增强，⼿臂外⾻骼转动部位的外观造型结构与⼈的⼿臂相似，附在⼈体⼿臂较为和谐，具有⼀定的柔顺性。
２．３瑞⼠皇家理⼯ＡＲＭｉｎ。该机器⼈共有７个⾃由度，可实现整
机上下平动，肩部屈／伸、旋内／外，⼤臂转动，肘部屈／伸，前臂转动，腕关节屈／伸运动，并为患肢提供重⼒补偿，协助患肢的肩关节、肘关节进⾏复合运动。全部驱动均采⽤ＤＣ电机驱动实现。
２．４华盛顿⼤学ＣＡＤＥＮ－７。机器⼈外⾻骼全臂部位结构简单、轻巧⽅便，⼤幅减⼩了齿轮传动带来的冲击与摩擦，多⾃由度的存在使得模拟上肢的运动更逼真，可以实现整个⼿臂、肩、肘、腕的多部位康复训练。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人设计
一、概述
随着现代医疗技术的不断进步，康复机器人已成为辅助患者恢复肢体功能的重要工具。六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，旨在通过模拟人体上肢运动，帮助患者实现精准、高效的康复训练。本文将对六自由度外骨骼式上肢康复机器人的设计进行详细介绍，包括其结构组成、工作原理、控制策略以及临床应用等方面的内容。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人是一种可穿戴式的康复设备，能够紧密贴合患者上肢，通过精确控制各关节的运动，实现上肢的全方位康复训练。该机器人具有六个自由度，可模拟人体上肢的各种复杂运动，为患者提供个性化的康复训练方案。机器人还配备了智能传感系统，能够实时监测患者的运动状态，为医生提供精准的康复数据，从而优化康复治疗方案。
在结构组成方面，六自由度外骨骼式上肢康复机器人主要包括机械臂、驱动系统、传感系统以及控制系统等部分。机械臂采用轻质材料制成，具有良好的穿戴舒适性和运动灵活性；驱动系统采用高精度电机，可实现精确、快速的运动控制；传感系统包括多个角度传感器和力传感器，能够实时监测机械臂和患者上肢的运动状态和交互力；控制系统则负责整合传感数据，实现机器人的运动规划和控制。
六自由度外骨骼式上肢康复机器人作为一种先进的康复设备，具有广泛的应用前景和市场需求。本文旨在通过对该机器人设计的详细介绍，为相关领域的研究人员和技术人员提供参考和借鉴，推动康复机器人技术的不断发展和创新。
1. 上肢康复机器人的研究背景与意义
随着人口老龄化的加剧以及各类事故、疾病对人们身体健康的威胁日益显著，上肢功能障碍患者数量呈现出逐年上升的趋势。这些障碍往往由中风、外伤、神经系统疾病等多种原因引起，严重影响了患者的日常生活和工作能力，给个人、家庭和社会带来了沉重的负担。寻求一种高效、安全的上肢康复治疗方法显得尤为重要。
在此背景下，上肢康复机器人的研究与应用应运而生，成为了医疗康复领域的重要发展方向。康复机器人技术融合了机械、电子、计算机、生物医学等多个学科的知识，能够模拟专业康复医师的手法，为患者提供个性化、精准化的康复治疗。六自由度外骨骼式上肢康复机器人凭借其高度的灵活性、精确度和舒适性，在康复治疗中展现出了巨大的潜力。
