重力自平衡上肢康復機器人設計與試驗

摘要：【目的】在機器人中添加重力平衡機構，可有效提升機器人的動態性能。但現有上肢康復訓練機器人涉及末端牽引式平衡機構的很少。針對該問題，在分析了上肢康復機器人懸臂工作過程中質心變化規律的基礎上，設計了一種可自動平衡重力的上肢康復機器人懸臂機構。【方法】該機構能夠通過確定零長彈簧位置以及參數實現重力平衡，即只需1根彈簧便能滿足上肢康復機器人懸臂在拉伸以及旋轉工作狀態下的自平衡；理論上可完全消除由重力產生的關節負載，減小能量損耗，提升上肢康復機器人的工作范圍及系統性能；并且設計了康復機器人平衡模型并搭建樣機試驗平臺，驗證了模型的準確性和設計方案的可行性。【結果】結果表明，與傳統牽引式康復懸臂相比，彈簧重力平衡方案的效果顯著，平衡所需力矩減小了92%，關節驅動轉矩減小了85%。

關鍵詞：上肢康復；重力自平衡；零長彈簧；質心特性；數學模型

中圖分類號：TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 018

0 引言

我國是一個腦卒中高發國家，據全球疾病負擔（Global Burden of Disease， GBD）數據顯示，腦卒中是造成我國減壽年數的第一位病因[1]。有效的康復運動訓練能夠顯著改善神經功能缺損情況，緩解由于老齡化帶來的腦卒中等疾病對老年人日常生活能力以及運動功能的影響[2]。傳統康復機器人通過機械結構替代人工康復訓練[3-4]，提高了訓練的效率與訓練效果。康復機器人分為可穿戴式以及末端牽引式兩種。末端牽引式上肢康復機器人基于上肢末端生物力學特性，針對不同患者自適應提供被動、助動、主動、抗阻4種訓練模式，可明顯改善腦卒中后上肢運動功能障礙患者上肢運動功能，提高患者日常生活能力[5]，末端牽引式上肢康復機器人工作時，其自重及末端負載主要由關節電動機克服，但其自重負載一般較大，甚至超過末端負載幾倍[6]，這對關節電動機的負載能力提出更高的要求，同時也會產生人機安全隱患。因此，在機器人本體中添加重力平衡機構，可有效地減小關節電動機的負載，簡化機器人控制策略，減少能量損耗，提升機器人的動態性能。

康復機器人重力平衡分為主動式和被動式。被動重力平衡是指機器人在其運動空間內無需關節電動機提供轉矩即可在任意位置保持平衡狀態[7]。與主動重力平衡相比，被動重力平衡控制簡單、能量利用率高、動態性能更高。串聯機器人被動重力平衡方法主要包括配重法和彈簧機構法[8]。配重會增加機器人質量，增大機器人尺寸，運動時會產生較大的慣性，造成機器人動態特性降低，不利于控制，所以，配重法適用范圍有限。相比于配重法，彈簧平衡方法對平衡更有利，因為彈簧元件通常質量輕、附加慣性小、易于調整、成本低廉，逐漸成為串聯機器人重力平衡工具的重要發展方向[9-11]。純彈簧法中所用的彈簧可以分為兩類：定剛度彈簧、變剛度彈簧?？梢酝ㄟ^改變彈簧固有參數，從而改變彈簧剛度；或設計不同變剛度彈簧，平衡變化的負載[12-13]。但是，變剛度彈簧具有應用不靈活、加工成本高等特點，應用并不廣泛。普通彈簧拉力與其伸長量成正比，而零長彈簧拉力與其長度成正比，合理設置零長彈簧位置，能夠提升康復機器人的平衡效果。