柔顺型上肢康复器设计

1 上肢康复器械

上肢康复器械是用于辅助或恢复上肢运动功能的医疗设备，主要针对因骨折、关节损伤、或偏瘫等导致上肢功能障碍的患者。其核心功能包括‌改善关节活动度‌、‌增强肌力与协调性‌、‌矫正畸形‌以及‌代偿运动能力‌。从结构上分类，康复机器人可以分为外骨骼式和末端牵引式两大类。

2 外骨骼式

外骨骼康复训练系统一般是设备运动自由度与人体上肢自由度完全相同或者部分相同的可穿戴机械结构，通过集成伺服系统提供开发环境方便的控制设备辅助患者需恢复的部位模拟上肢轨迹进行训练达到康复的目的[2]。

现有的外骨骼上肢康复机器人装置能进行多种训练姿态的设置，有着较高的自由度，但存在质量较大、穿戴较为困难的问题[3]。

3 末端牵引式

末端牵引式康复训练器械运用终端牵拉式训练模式，借助可调节握持机构与患者前臂构建力学连接，该设备借助机械结构像连杆、滑轮、活动范围限制器等来引导或者辅助患者完成上肢运动，以常见开放式结构设计为特点，凭借模块化构造快速部署的特性，在临床应用方面有较好的操作优势。和外骨骼系统的多关节耦合设计相比，末端牵引式设备凭借单点力学交互达成运动辅助，避开了穿戴者肢体尺寸适配的难题，还可以防止机械关节与人体运动轴线出现匹配偏差。其精简的机械架构降低了设备运维复杂度，能让治疗师能在不同体型患者间快速切换训练对象，仅需调整牵引绳长度即可完成适配。

末端牵引式机械结构简单，难以完全模拟人体自然运动轨迹，刚性连杆机构存在运动学逆解有多解、结构复杂、惯性冲击大等问题[4]。

综上，外骨骼式康复机器人在康复时采用多关节耦合设计，因此在发生碰撞时，难免会对患者造成二次伤害，而末端牵引式机器人虽然在康复效果方面可能略微逊色于外骨骼式机器人，但对于患者康复的安全性有着更好的保障。但是它仍然存在响应延迟，关节较少——柔顺性不足的问题。

4 上肢康复器械设计

4.1 内部结构设计

本研究借助“磁流变液”这种智能材料研制出有变刚度以及变阻尼特性的柔顺关节，可凭借磁场对软硬状态实施实时调控，在发生碰撞时可以迅速终止输出并且引导逆回旋，切实保障患者的安全，与传统的末端牵引式康复器械有所不同，创新设计的柔顺型机器人融合了智能材料的可控特性，可达成安全牵引，又可辅助患者肢体末端实现精准康复。在机械结构方面，采用同步带传动来取代复杂的传动系统，把主体整合在 290mm×210mm×200mm 的盒体之内，经过优化设计使得重量与体积得以降低，空间适用性的提高让康复训练突破了医院场景的限制，这种突破性设计如图1 所示，有高安全性以及便携性的优势。