Abstract ：

对于上肢运动障碍的脑卒中患者,上肢康复外骨骼是弥补人工康复训练不足、降低医师工作强度的关键设备。针对盂肱关节的瞬变转心属性,采用高等机构学理论,对上肢康复外骨骼进行构型综合,综合出多种肩关节环链Θs和肘前臂环链Θef构型组合,基于构型优选原则,遴选出人机相容性较好的兼容型外骨骼构型。在此基础上,设计并研制含重力平衡系统的上肢康复外骨骼Co-Exos,将弹性元件引入被动滑动副,以改善引入被动关节而产生的不确定性和运动协同性。基于盂肱关节的运动学模型,建立了肩关节环链Θs的人机相容性模型,同时,提出一种追踪和补偿盂肱关节竖直方向位移的方法,将外骨骼Co-Exos与上臂简化为变杆长的导杆机构,推导出...

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脑卒中 被动关节 人机相容性 构型综合 上肢康复外骨骼 盂肱关节

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针对上肢运动功能障碍患者,康复外骨骼机构在肩、肘关节康复训练中的应用越来越多,由于盂肱关节的浮动属性及难以避免的穿戴误差,人机对应关节的轴线难以始终保持对齐,致使人-机连接界面处产生较大的附加力/矩,严重影响训练效果及穿戴舒适度。为消除产生的附加力/矩,提出一种4R3P2R型自适应上肢康复外骨骼机构,并对其进行位置逆解及重力平衡优化。该型上肢康复外骨骼在肩、肘关节处采用PPRRRP和PRRR构型,支链PPRRRP与肩关节构成3-DOF恰约束人机闭链。同理,支链PRRR与肘关节构成平面2-DOF的恰约束人机闭链。在该外骨骼构型的基础上,建立人机闭链运动学模型,求其位置逆解,推导出任意位姿下外骨骼...

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人机相容性 构型综合 上肢康复 外骨骼 重力平衡

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针对一种上肢康复外骨骼,提出了2种被动人-机重力平衡策略,以减小关节负载力矩、降低驱动电机功率.采用2套零初长弹簧单元作为重力平衡装置,以人-机系统在任意位姿下的势能总和保持恒定为理论依据,推导出人-机系统的完全重力平衡模型.为简化平衡系统及避免发生干涉,仅引入单套零初长弹簧单元,以人-机系统在给定运动范围内势能变化最小为优化目标,施以约束条件,对弹簧安装位置及劲度系数进行优化设计,实现人-机系统的部分重力平衡.通过计算人-机系统各位姿下的关节力矩,对2种平衡方式下的算例进行了对比分析.结果表明:完全平衡后各关节重力矩被完全消除,部分平衡后各关节重力矩被大部分消除,验证了2种平衡策略的合理性.

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康复外骨骼 遗传算法 完全重力平衡 零初长弹簧单元 部分重力平衡

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本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼机构的主被融合关节，该外骨骼机构采用紧致连接的方式与人体上肢的上臂和前臂连接，在人机连接界面处将主动关节和被动滑动副融合在一起，形成上臂主被融合关节和前臂主被融合关节。上臂主被融合关节通过二级半环与上臂绑缚连接，二级半环绕自身轴线带动上臂转动，前臂主被融合关节通过五级半环与前臂绑缚连接，五级半环随前臂箱体一起带动前臂绕自身轴线转动。该主被融合关节采用同步带传动方式，同步带驱动一级半环及四级半环转动，同时，在一级半环及四级半环内侧设置了具有弹性的上臂被动滑动副和前臂被动滑动副，在被动滑动副中均设置了导杆与压簧，降低上肢康复外骨骼机构在人机连接界面处的作用力/矩。

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本发明涉及一种用于上肢康复外骨骼的重力平衡机构，该重力平衡机构包括钢丝绳、弹簧、滑轮组、直线运动单元及可调固定单元，钢丝绳一端固定，另一端连接旋转臂，钢丝绳缠绕在滑轮组上，滑轮组中的动滑轮安装在直线运动单元的滑块附件上，动滑轮随滑块附件一起做直线运动。弹簧一端连接滑块附件，另一端连接可调固定单元。通过引入重力平衡机构，大幅减小上肢康复外骨骼的第二关节驱动扭矩，采用滑轮组的方式，降低弹簧的拉伸变形量，将弹簧的拉伸变形量降低至原来的一半。同时，通过增加可调固定单元，能够控制弹簧的初始拉伸变形量，使得该重力平衡机构平衡具有较大的平衡范围，同时，解决了弹簧安装不方便的问题。

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本发明涉及一种含被动滑动副的上肢康复外骨骼机构，该上肢康复外骨骼机构包括5个主动关节、4个被动滑动副及3个调整单元，5个主动关节借鉴人体上肢的形态呈串联排布，通过引入4个被动滑动副，将该上肢康复外骨骼机构转化为恰约束系统。第一被动滑动和第二被动滑动副采用双导轨和滑块结构，第三被动滑动副和第四被动滑动副采用双光杆和直线轴承机构，同时，在被动滑动副中增设拉伸弹簧和压簧，使得被动滑动副具有一定的柔弹性，能够对外骨骼主动关节及人体上肢提供一定的支撑作用。在该上肢康复外骨骼机构中引入3个调整单元，能够适应不同患者的身体尺寸，增加该机构的通用性。

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一种9自由度穿戴自适应上肢康复外骨骼机构，包括肩关节适应机构、外骨骼机构、连接机构和支撑件。所述外骨骼机构由肩关节等效机构和肘关节等效机构组成，其中肩关节等效机构实现上臂基于ISB描述的抬升面、抬升角和内外旋角的运动，肘关节等效机构实现前臂屈/伸和旋内/旋外运动；所述肩关节适应机构、连接机构有运动副和连接件组成，其作用是适应肩、肘关节运动耦合影响。连接方式是：支撑件、肩关节适应机构和外骨骼机构顺次固连，且通过连接机构和上肢紧致连接构成人机闭链机构。本发明结构简单；肩关节适应机构布置在前端，使连接支链短，机构重力传输到支撑件，穿戴轻便；适应肩、肘关节运动耦合，解除人机闭链产生与训练无关人机力和力矩。

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本发明涉及一种人机空间重力平衡上肢康复外骨骼，包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节、一级弹簧装置、一级转向装置、二级弹簧装置、二级转向装置，一级弹簧装置安装在第二关节上板上，一级转向装置安装在第一关节下板上，一级钢丝绳经一级弹簧装置及一级转向装置固定在二级轴上。二级弹簧装置及二级转向装置安装在第四关节下板上，二级钢丝绳经二级弹簧装置及二级转向装置固定在四级轴上。通过设置一级滑轮组件，压簧的小运动位移即可满足上肢大范围运动。通过调整二级轴的长度及二级轴、二级转向装置、四级轴、四级转向装置在外骨骼上的位置，实现对不同质量及长度的外骨骼和上肢的空间重力平衡。

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一种具有人-机运动相容性的上肢康复外骨骼机构，包括外骨骼机构、人-机连接机构和支撑件。外骨骼机构与背后支撑件固连，且通过连接机构与人体上肢紧致连接构成人-机闭链机构。外骨骼机构由肩关节等效机构、肘关节等效机构和上肢构件组成，其中肩关节等效机构驱动上肢实现上臂屈/伸、收/展和内旋/外旋运动，肘关节等效机构驱动上肢实现前臂屈/伸和旋前/旋后运动；人-机连接机构由连接运动副和运动副连接件组成，其作用是使人-机闭链机构具有恰定的约束。该机构穿戴时允许外骨骼机构的关节运动轴线与对应上肢关节轴线存在偏差，而在人-机闭链机构中不产生与康复训练无关的内部作用力，有助于提高上肢康复训练的安全性及康复训练的效果。

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