6、可穿戴式并串联混合机器人与仿人机器人姿态设计

可穿戴式并串联混合机器人与仿人机器人姿态设计

1 可穿戴式并串联混合机器人设计

1.1 可穿戴机器人的需求

机器人辅助治疗主要有两个应用领域：提供物理治疗和支持执行一些日常生活活动（ADL）。康复治疗要求机器人有精确的康复动作，且在康复过程中，施加适当的辅助力或扭矩时，患者不应感到不适或疼痛。许多ADL需要手腕的屈伸（FE）、桡尺偏（RUD）运动以及前臂的旋前旋后（PS）运动，像用勺子吃饭、喝茶等常见ADL还需要肘部的屈伸运动。

可穿戴性是机器人的一个重要特性，它能让用户在家进行康复活动，提供安全舒适的康复环境，在当前新冠疫情背景下更具价值。作为可穿戴设备，机器人与人体肢体直接接触，因此设计时需考虑轻量化、便携性、舒适性和安全性。一个潜在风险是人机关节不对齐，这会产生不必要的力，严重影响舒适性和安全性。一些康复机器人考虑了手腕、肘部或肩部的对齐，但前臂PS运动的对齐常被忽略。

前臂的PS运动对上肢功能很重要，若受阻会严重影响ADL的执行。机器人辅助前臂PS运动康复通常通过旋转固定在前臂的刚性连杆或附件来实现，但PS运动是肱骨、尺骨和桡骨之间复杂的耦合旋转运动，旋转轴从桡骨头到尺骨头，并非完全沿前臂直线，且运动过程中旋转轴不固定，容易出现关节不对齐问题，导致产生不必要的力和安全隐患。机器人所需的运动范围（ROM）和扭矩要求如下表所示：
| 运动 | 运动范围（度） | 所需最大连续扭矩（Nm） |
| ---- | ---- | ---- |
| 手腕屈伸 | 80（50F，30E） | 1.5 |
| 手腕桡尺偏 | 60（30R，30U） | 1.5 |
| 前臂旋前旋后 | 100（50P，50S） |