摘要
国内外中风发病率和致残率都很高，近80%脑卒中存活者会发生肢体残疾,其中上肢瘫痪产生的问题对日常生活的影响更为严重。患者不能独立进行日常活动，要想恢复基本的日常活动能力，患者需接受长时间的康复理疗。当前上肢外骨骼大多不包含腕手，难免错过全上肢的最佳康复时机。因而本课题旨在设计出一款人机相容型全上肢外骨骼康复机器人以实现全上肢的同步辅助康复训练。 首先，进行了外骨骼康复机器人的全上肢构型设计。针对中风患者的上肢生理特性与需求，对于肩关节设计并联线驱动外骨骼模块，对于肘部设计拮抗扭簧驱动外骨骼模块，对于腕部设计四边形簧片驱动外骨骼模块，对于手部设计“三明治”簧片欠驱动外骨骼模块，利用针对性设计以使各模块适应人体上肢各关节的生理结构，处理好多自由度关节轴线配置，并优化机构惯量分布。 其次，完成了全上肢外骨骼康复机器人的人机相容性与镜像互换设计。重点针对肩部被动运动的生理特性设计了平行四连杆仿生被动补偿结构，针对肘部被动运动生理特性设计了类杠杆仿生被动补偿结构，解决外骨骼与人体关节轴线错位的问题，避免了人机交互负载使患者体验不佳甚至产生二次伤害；针对康复外骨骼的低成本需求，对全上肢机构各模块外骨骼进行了镜像互换设计，能够有效降低设备成本和提高适用范围。 然后，研究了全上肢外骨骼康复机器人驱动与传感系统。主要研究了柔顺SEA驱动源的设计做到变刚度柔顺驱动；研究了驱动执行器处的运动传输与转换，利用远程线驱动提高柔顺性和轻便性，优化惯量分布；根据各关节驱动特性需求进行电机选型和传感器选型，并研究了在有限空间内弹性元件与传感器的整合设计，为关节力矩检测反馈创造条件。 最后，对所设计的全上肢外骨骼康复机器人进行了仿真研究。分别对肩部外骨骼模块平行四连杆被动补偿结构进行仿真优化，对肘部外骨骼模块弯曲伸展和类杠杆被动补偿结构进行运动仿真，对腕部外骨骼模块簧片弯曲伸展和内收外展进行有限元分析和仿真，对手部外骨骼模块的三明治簧片手指进行有限元分析和仿真。仿真结果表明，所设计的全上肢康复外骨骼经过优化后，各模块均能实现设想的动作需求。
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