手部 170 130 0.5

我们在设计末端康复机器人之前先要去了解一下手臂及末端关节的运动情况，而分析末端机器人的工作空间是进行机器人设计的首要条件。虽然每个人的肢体尺寸都不尽相同，每个人的运动范围也有根本上的不同，但设计出来的末端康复机器人也应该可以去适应不同患者的尺寸，符合康复要求。而且重中之重是运动时的灵活性与舒适性。为了使病患更加舒服，运动更加方便，这个末端导引式康复机器人对于患者的康复要求是其坐着进行康复训练，运动示意图如图5所示。

图5 患者运动示意图

图6 末端导引式机器人初步方案

初步拟定末端引导式机器人方案如图6，整个系统由滑轨e，龙门式机架f和连杆g组成，连杆g上再加装一手柄，把手可以沿着x轴方向在连杆上往复运动，也可以沿着y轴方向在龙门机架f上往复运动，而机架则在滑轨e中沿着z轴方向往复。这样设计的好处在于整个系统结构稳定，各个运动彼此不会受到牵连，动作空间大，而缺点就是总体结构过大，动作单一，搬运麻烦。

在传动形式的选择上，大致分为以下几种：齿轮齿条传动、同步带传动、滚珠丝杠传动、直线导轨传动等。末端导引式机器人承受的载荷适中，运动速度低且平稳，传动的精度要求比较高，整个系统要求安全性高，简单，刚度大。而直线导轨传动形式，是滑块与导轨之间的摩擦，属于滚动摩擦，这样的话摩擦阻力小，工作精度较高，承载能力也强。另外滚珠丝杠传动是丝杠与螺母之间的钢球摩擦来进行传动的，也属于滚动摩擦，这样精度效率也高。不过滚珠丝杠在水平传动长度过大，速度过高的情况下，丝杠容易变形，所以在方案中，z轴方向上可以选用此传动方式带动整个机构沿z轴运动。而x轴与y轴方向受力不均，情况复杂，行程较大，所以选择直线导轨传动。

接下来是机器人驱动方式的选择，大致分为三种，有气压驱动，液压驱动以及交流伺服电机驱动。

气压驱动的优势在于气源比较方便干净，通常气压在0.4-0.6MPa左右，有时则会升至1MPa。用气压驱动的机器人，结构简单，成本低，适合于易燃易爆，粉尘大的环境中。但是其位置精度低，不能准确的停在某一位置。

液压驱动的机器人功率大，位置精度高，还能实现无极调速，输出力的范围也大，适合用于运动低速的场合。但是容易泄露，导致工作环境变得糟糕，会使得工作稳定性下降，定位精度也受其影响。

交流伺服电机驱动的调速范围广，过载能力较强，与此同时转速平稳，还能固定力矩输出。其闭环控制，性能突出，所以各种设备中都有它的影子。与之对比的是直流伺服电机，同样具有这些优点，但是较之交流伺服电机，直流电不比交流电获得简单。

因为康复机器人用于病人的康复情况，承载能力不大，定位要求高，运动时速度要求平稳，所以采用控制较为精确的交流伺服电机。在机器人上，分别使用三个伺服电机驱动三个轴向运动，其中两个配有减速装置。电机安装在龙门机架上，这样结构就显得紧凑，成本降低，操作起来也方便，具体如图7.

图7 末端导引康复机器人方案

各轴最大运动范围为：x轴1100mm,y轴1100mm，z轴800mm。机架为龙门式，运动空间大，手臂可以运动至身体后方。座位可以自行调节上下前后位置。

3.1.2方案二

对于真正的上肢康复训练来说，有时是整个手臂，有时也会是整个前臂或者整个大臂，还有就是单独的腕关节。上肢的运动较为复杂，例如肩、肘、腕、手等关节具有多个自由度。所以使用末端牵引式康复机器人对整个手臂的康复活动是合适的，但具体到各个不同的部位时，那它的基础训练的功能就无法达到所需要求，就会引入不必要的其他康复运动，亦或者是造成无法完全实现所需要的康复运动这一窘境。因此，外骨骼的上肢康复机器人系统就成为了当今在康复机器人领域中万众瞩目的焦点。