设计题目：基于索驱动的康复训练仿人机械臂
1 项目的背景和意义
近年来，由于各种原因导致肢体残障的人士越来越多。

目前造成残障的主要原因有三。

其一，由于灾害事故造成肢体残障。

由中国康复研究中心完成的北京市脊髓损伤流行病学调查结果显示，我国每年有近十万新增肢体残疾病人，我国残疾人口总数为8296 万，占总人口的 6.34%，涉及 2.6 亿家庭人口。

其二，由于人口老龄化导致瘫痪。

据第六次人口普查报告可知，截止2010 年我国60 岁以上的老年人已超过 1.78 亿，占总人口的13.26%，比第五次人口普查上升 2.93 个百分点；65 岁以上的老年人达到 1.19 亿，占总人口的8.87%，比第五次人口普查上升1.91 个百分点。

有关部门预计，从2011年到2015 年，全国60 岁以上老年人将由1.78 亿增加到2.21 亿，平均每年增加老年人860 万；老年人口比重将由13.3%增加到16%，平均每年递增0.54 个百分点，到2030 年全国老年人口规模将会翻一番。

并且我国老年人中，长期卧床、生活不能自理的约有2700 万人，半身不遂的约有70 万人，82 万老年性痴呆病人中约有24万人长期卧床。

其三，由于中风、脊髓损伤等疾病引起的肢体残障。

中风的世界平均发病率为200/10万，且根据世界卫生组织统计，中国的中风发病率排名世界第一；对于脊髓损伤，国外报道其年发病率为每百万人口15~40例，我国上海市1991年统计的脊髓损伤发生率为34.3人/百万人，北京市2002年脊髓损伤发病率为60人/百万人。

由于以上三点的形势比较严峻，导致残障人士越来越多。

而残障人士由于生活不能自理，不仅给其自身造成了痛苦，而且对于其家庭和社会而言都带来了极大的负担，因此，残障人士的康复治疗越来越受社会关注。

早期的康复治疗方式主要是通过理疗师一对一指导进行指导，不仅需要大量的康复治疗中心和理疗师，需要很高的成本，同时由于康复治疗中心离患者有一段距离，而这些残障人士一般又难以独立出行，如此会给患者及其家属造成很大的不便。

因此，早期康复治疗的发展一直受到了很大的限制。

而随着机器人的发展和康复机器人这一理念的提出，这一限制得到的缓解。

由于康复机器人体积小，不需要单独的理疗师辅助治疗，可以方便患者自主在家庭使用，可以降低治疗的费用并且相对方便。

这在缓解残障人士给社会带来的压力方面和缓解残障人士的痛苦方面，有着重大的意义。

2 国内外研究发展现状
2.1 康复机器人发展现状
康复机器人涉及机械、电子、控制、生物、传感等多个方面，起步于20世纪80年代，美国、英国和加拿大在康复机器人方面的研究处于世界的领先地位。

1990 年以前全球的56 个研究中心分布在5 个工业区内：北美、英联邦、加拿大、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛及日本。

1990年以后康复机器人的研究进入到全面发展时期。

目前康复机器人的研究主要集中在康复机械手、医院机器人系统、智能轮椅、假肢和康复治疗机器人等几个方面。

国内康复机器人由于存在技术含量低、产学研脱节、机械加工水平低等原因，使得目前国内的康复机器人主要还处于研究阶段。

虽然在“十二五”
中，国家对康复机器人的发展提出了重视，但目前国内康复机器人的发展水平还是比较低的，与国外的看富机器人水平相差较大。

2.2 上肢康复机器人发展现状
上肢康复机器人最早的是1993年美国的Lum P.S等人研制的hand-object-hand system，可以训练患者双手加持物体的动作。

到目前为止，由于机器人技术、控制技术、计算机技术、传感技术、生物仿生技术、人工智能技和机械制造技术的发展，康复机器人也已经有了长足的进步。

美国麻省理工学院（MIT）的Hogan 提出的2-DOF（自由度）臂平面康复机器人系统MIT-MANUS，具有一定的重力补偿作用。

后来又提出了2-DOF 腕关节康复机器人，与臂MIT-MANUS 结合形成了完整的系统，可以实现4-DOF 的康复运动，并已经开始应用于临床治疗。

瑞士苏黎世大学于2005年提出过一款6-DOF的半外骨骼机器人ARMin，可以实现肩关节的空间运动康复训练和肘关节的屈伸运动康复训练。

英国Leeds 大学的Raymond Holt 等人研制了一款名为iPAM的双臂机器人，可以实现双臂个三个关节、6-DOF 的运动，实现康复训练。

美国华盛顿大学研制的CADEN-7 机器人是一款7-DOF的外骨骼式机器人，可以辅助患肢的肩、肘、腕进行多关节的复合运动，完成康复治疗。

在上肢康复机器人方面，我国也做出了一些成果。

清华大学在国家“863”
计划支持下，从2000 年起开展了机器人辅助神经康复的研究，研制了一种上肢康复设备UECM，采用二连杆机构模拟人体上肢，其中机器人大臂、小臂分别由两台伺服电机驱动，可以在平面内进行两个自由度的康复训练。

哈尔滨工业大学设计的一种外骨骼式上肢康复机器人系统可以实现肩部屈／伸、旋内／外，肘屈／伸，腕关节屈／伸及外展／内收5-DOF运动。

广州一康医疗设备实业有限公司2010 年生产了一种无驱动的患者主动训练型上肢康复机械系统，可以实现肩、肘、腕组合的6-DOF运动，实现康复训练。

3 现有技术和产品存在的问题分析
目前的上肢康复机器人均是采用刚性连杆等机构来实现传动，在进行多自由度控制时机构非常复杂，导致机械结构质量很大。

同时，在使用连杆对整个上肢进行驱动时，由于连杆的多级传动会造成较大的能量损耗，因此需要采取在各关节直接安装电机驱动，这样会导致上肢上机械结构的质量进一步增大。

在这种情况下，如果不采取额外支撑而由患者自身承担机械结构的负载，则会对患者造成压迫，造成不适甚至是损伤；如果采用额外支撑将负载引到地面，那么整个康复机器人将会变得笨重，使得患者在进行康复训练时只能固定在一个位置，带来不便。

同时，由于刚性连杆机构的质量较大，转动惯量较大，使得康复机器人只能在很小的运动速度下才能保证足够的稳定性，因此极大的限制了康复训练时的移动速度。

此外，刚性的连杆机构在对于不同体型患者的调节、适应能力上存在不足，一般不能很好的贴合患者的肢体，给患者的带来不适的同时还可能造成康复训练的错误动作，严重的甚至有可能产生畸形。

4 设计规划
4.1 设计目标
为了改善目前刚性的上肢康复机器人所存在的问题，现提出一种柔性的驱动、传动结构——索驱动的康复训练仿人机械臂。

相对于刚性驱动、传动方式而言，索驱动机械臂的结构得到了极大的简化。

索驱动机械臂由电机、绳索和每节肢体上一个的节环组成，由于节环相对较小，而绳索的质量又可以忽略，极大的简化了康复机器人的结构。

为了使索驱动仿人机械臂能够正常的工作，设计时应当满足一定的要求。

（1）有合理的自由度数。

仿人机械臂的设计应当以人体上肢各关节的运动为参照，依据患者的损伤部位和程度对各个关节分配相应的自由度，驱动肌肉损伤而不能自主移动的方向，实现康复治疗。

（2）有合理的预紧力。

由于绳索只能提供拉力，因此在使用索驱动时应当给予绳索一定的预紧力使索驱动的节环能够快速准确的反应和移动。

同时预紧力不能过大，否则会造成绳索疲劳寿命减少甚至绳索拉断，还有可能给患者带来不适。

（3）有尽量大的转动范围。

由于索驱动各节环之间由绳索连接，二者之间的安装位置比较灵活，能够满足大部分患者的体型要求，但为了保证索驱动仿人机械臂能够满足患者的关节转动要求，应当进行合理的设计，使各关节的转动范围尽量大。

（4）要避免绳索缠绕。

节环之间仅由绳索连接和驱动，没有刚性的定位，因此应当合理的分布绳索，并且找准合适的安装位置，避免因绳索的缠绕而导致机构不能工作。

4.2 技术路线
（1）索驱动仿人机械臂绳索数量的选择
由于每条绳索自身需要一定的预紧力，在机械臂运动时，需要对每条绳索都进行驱动。

因此在设计索驱动机械臂时，如果绳索的数量过多，会导致动力学分析与计算和对绳索的控制变得复杂，会增加绳索缠绕情况发生的可能，还会导致制造成本的增加；如果绳索过少，即使可以满足自由度的要求，但由于绳索只能提供拉力，所以每根绳索带动手臂转动的范围是有限的，绳索过少会使得机械臂的运动范围达不到要求；同时即使在范围内也会由于角度不合适而导致绳索拉力过大，致使驱动力不足而不能正常工作或者绳索强度不足而断裂。

因此，在设计索驱动仿人机械臂时，必须依据相应的动力学分析选取合适的绳索数。

（2）索驱动仿人机械臂节点位置的布置
如下图所示，由于绳索传递的力一直是沿着绳索方向，在驱动手臂绕关节转动时，仅垂直手臂方向为有效力，可以产生拉动手臂绕关节的转动，而沿手臂方向的分力则是无效的，甚至是有害的，因为沿手臂方向的分离不仅会使绳索受力增大导致绳索疲劳寿命减少，还会对手臂造成压迫给患者造成不适。

因此，选择合适的节点，可以增大手臂在运动过程中绳索与手臂之间的夹角，进而增大有效分力并减小无效分力。

5 初步进度表。