0 引言人口老龄化日益严重是各工业化国家普遍面临的问题。根据第7次全国人口普查主要数据情况，2021年，中国60岁及以上人口所占比例为18.70%（其中，65岁及以上人口所占比例为13.50%）[1]。随着人口老龄化的日益加剧，中风、脑卒中、偏瘫等引起的肌肉萎缩、肌无力严重影响了患者的生活质量。若能长期坚持肢体的康复训练，能使肌肉萎缩的康复取得较好的康复效果[2]。但现有的康复医师数量无法满足日益激增的上肢偏瘫患者需要，利用外骨骼机器人代替康复医师对偏瘫患者进行康复训练，成为当下康复医疗研究的热点之一。使用康复外骨骼来实现上肢运动障碍患者的康复训练，可以极大缓解治疗该类患者的医护人员紧缺问题，具有较好的应用前景和较大的应用潜力。目前，国内外开发的关于上肢康复类的器材较多，针对患者不同的康复需求也有很多研究，主要分为串联和并联机构。串联机构因具有结构简单、控制方便的特点，广泛应用于上肢康复外骨骼。赵彤彤等[3-6]通过研究人类日常活动要求，设计了7自由度串联式上肢康复外骨骼机器人；Nef等[7]在4自由度原型ARMin的基础上增加了2个自由度，设计了6自由度康复机器人ARMin-Ⅱ；Sugar等[8]基于临床评估，设计了一种安全、易于使用的上肢康复机器人设备RUPERT，可实现肩部屈曲、肘部伸展、前臂旋后和手腕伸展4个自由度。并联机构因其独特的结构和运动特性，也广泛应用于上肢康复外骨骼机构。张邦成等[9]设计了一种绳索驱动腕部并联康复机构，可实现手腕2个自由度的康复运动；姬帅旭等[10]157-163设计了一种共轴球面的手腕康复装置，可实现手腕3个自由度的康复训练；黎帆等[11]设计了一种基于欠驱动并联索机构的肩关节助力外骨骼，该机构可实现肩关节3个自由度的助力；Kato等[12]提出并测试了一种用于腕部康复的柔性机械臂。结合串联和并联机构的优点，Gupta等[13]设计了MAHI EXO-Ⅱ，该机构具有5个自由度，可实现肘关节屈伸、前臂旋转、手腕屈伸和手腕桡屈/尺屈4个主动自由度，以及1个肩部外展/内收的被动自由度。郭盛等[14]132-140采用混联方法，设计了一种7个自由度可穿戴上肢康复训练机构，以满足患者日常活动需求。综上可知，目前的上肢康复外骨骼机器人主要存在串联康复外骨骼机构刚度和精度低、并联康复外骨骼机构自由度低等问题。为解决上述问题，本文基于人机共融要求，将人体的上肢作为设计的一部分，减少关节轴线偏移的影响，提出了一种8自由度混联式上肢康复外骨骼机构，旨在更好地实现上肢运动障碍的康复需求；设计了一种新型的2自由度肘部康复装置，代替传统的单自由度肘部康复装置，以更好地实现患者的肘部训练。对康复机构进行运动学分析和仿真实验，验证了其作为人体上肢外骨骼康复机构的合理性。1 结构设计人体上肢可分为肩部、肘部、手部3个部分。肩部主要控制肩胛和大臂的运动，可以进行水平前屈/后伸、上举前屈/后伸、外展/内收、旋转、肩胛抬升/下降以及肩胛回缩/前伸等运动。肘部主要控制小臂和大臂之间的相对运动，可以进行屈曲/伸展、内旋/外旋运动。手部主要控制手和小臂之间的运动，可以进行小臂的内旋/外旋运动、手腕的桡屈/尺屈、掌屈/背伸运动。本文设计的上肢康复外骨骼机构由肩部、肘部、腕部3个部分构成，共8个运动自由度。针对现有的7自由度上肢外骨骼机构，基于小臂的旋转是由腕部和肘部共同完成的，将小臂的旋转拆分为腕部的内旋外旋和肘部的内旋外旋。肩部简化为一个球铰关节，可实现外展/内收、屈/伸、内旋/外旋3个自由度；肘部简化为一个万向节，可实现屈曲/伸展、内旋/外旋2个自由度；腕部简化为一个球铰关节，可实现小臂的内旋/外旋、手腕的桡屈/尺屈、掌屈/背伸3个自由度。人体上肢结构尺寸标准如表1所示[15]。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.T001表1人体上肢结构尺寸标准Tab. 1Structure size standard of upper limbs of the human body名称长度/cm重心/cm旋转半径/cm质量/kg手掌2010110.60小臂2111131.20大臂2912151.95结合人体上肢的结构尺寸参数，设计了如图1所示的上肢外骨骼康复训练机构，该机构包括肩部机构、肘部机构、手部机构3个部分。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F001图1上肢外骨骼康复训练机构Fig. 1Rehabilitation training mechanism of exoskeletons of upper limbs1.1　手部机构设计手部康复装置机构为3-RRR/S并联机构，由手部平台、小臂平台、传动与驱动机构3部分组成。手部平台中的手柄与手掌接触，用于牵动手部康复运动；传动与驱动机构负责驱动手部平台运动；小臂平台固定于小臂，负责提供手部康复运动的基座。手部平台包括3根连杆2、3根连杆1及手部平台等，连杆1与连杆2、连杆1与手部平台之间通过旋转关节（柔性连接件）连接。将手腕关节简化为一个球铰关节，通过定长杆（手掌至腕关节）与末端执行平台的固接，构成一个3RRR/S并联机构，具有3个旋转空间自由度。连杆2与大齿轮环通过螺钉固定连接且连杆2与大齿轮环垂直。进行康复运动时，大齿轮环依次带动连杆2、连杆1、手部平台一起运动，其设计参数是：手部平台连接轴线与运动轴线之间的夹角β=45°，连杆1两端轴线之间的夹角α2=90°，连杆2上端轴线与大齿轮环轴线之间的夹角α1=90°。由于康复运动过程中易受到冲击等其他影响，动平台与连杆1、连杆1与连杆2的旋转关节均采用柔性连接，柔性连接件由销轴、轴承、弹簧、挡圈组成[10]158-159，如图2所示。销轴可以避免连杆之间的直接接触摩擦；弹簧和挡圈可以保证连杆受到冲击时具有一定的预紧力，使其恢复形态。轴承型号为MF128ZZ，挡圈为E型M10挡圈，弹簧尺寸为0.5 mm×5 mm×5 mm。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F002图2柔性连接件示意图Fig. 2Schematic diagram of the flexible joint传动与驱动机构由电动机、C形固定架、小齿轮组、大齿轮环组组成。考虑结构的稳定和紧凑，小齿轮组的电动机通过C形固定架沿120°均匀布置在小臂平台。进行康复运动时，3个电动机分别通过3组小齿轮组依次沿着小齿轮组、大齿轮环组、手部平台传递输出力矩和传递速度，最终带动手部进行康复运动，C形固定架负责驱动电动机和小齿轮组的固定。1.2　肘部机构设计在上肢康复外骨骼机构的肘关节设计中，一般只考虑了肘关节的屈曲/伸展，而忽略了上肢联动时小臂的旋转是由手腕和肘关节的运动共同完成的。在肘关节运动时，肘关节是一个由肱尺关节、肱桡关节、桡尺近侧关节3个单关节组成的复合关节。肘关节的运动形式首先是屈伸运动，其次是桡尺近侧关节与桡尺远侧关节联合运动实现的小臂的内旋/外旋运动。因此，在设计肘部康复机构时，需要使肘部关节实现屈曲/伸展、内旋/外旋2个自由度的空间运动，以达到在上肢康复运动中最大程度的康复效果。穿戴时，患者肢体肘关节可视为万向节。肘部康复装置机构由小臂平台、大臂平台、2条UPS支链及肘关节简化的万向节组成。该机构具有2个自由度，可实现肘部关节屈伸、旋转运动，符合肘部康复要求。肘部关节既需要承担部分患者上肢的质量，又需要承担手部、肘部康复装置的自重。相对手部关节，肘部关节需要承担较大的驱动力矩。为此，在肘部后侧加入1条UPS支链和肘部支撑板与垫子，用于提供支撑并提高肘部关节的负载能力。肘部康复装置机构为3-UPS/U并联结构，由3条UPS支链、小臂平台、大臂平台组成，可实现2个自由度的空间转动。每条UPS支链都由万向节、电动推杆及球铰构成。穿戴时，将定长杆（小臂）与定长杆（大臂）铰接，整体形成3-UPS/U并联结构。因此，肘部平台可以实现以肘关节为转动中心的屈曲/伸展、内旋/外旋2个空间自由度的运动。1.3　肩部机构设计肩部的整体运动包括大臂的水平前屈/后伸、上举前屈/后伸、外展/内收、旋转、肩胛抬升/下降以及肩胛回缩/前伸等运动，因此，在肩部康复装置机构设计时采用3-UPS/S并联机构[14]133-134。肩部康复装置机构由固定于肩部的肩部平台、3条相同的UPS支链和大臂平台组成。由于肩关节运动的特殊性，将肩关节简化为一个球铰，通过定长杆（大臂）与动平台（大臂平台）的固接，整体上构成一个3-UPS/S并联机构。因此，肩部康复装置的运动只能实现大臂平台绕肩关节为球心的空间转动。改变3条电动推杆的长度，可实现大臂平台3个自由度的平台姿态变化。2 机构运动学分析2.1　机构整体运动学分析上肢康复机械臂机构简图如图3所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F003图3上肢康复机械臂简图Fig. 3Brief diagram of upper limb rehabilitation robotic arm分别构建各关节坐标系。肩关节静坐标系O0-X0Y0Z0，动坐标系O0-x0y0z0，肩关节静坐标系和动坐标系的坐标原点均与肩关节动平台转动中心O0重合。大臂平台静坐标系Ob-XbYbZb，动坐标系Ob-xbybzb；肘关节静坐标系Oe-XeYeZe，动坐标系Oe-xeyeze；小臂静坐标系Oj-XjYjZj，动坐标系Oj-xjyjzj；腕关节静坐标系Ow-XwYwZw，动坐标系Ow-xwywzw，腕关节静坐标系与动坐标系的坐标原点均与腕关节动平台的坐标原点Ow重合；肩关节静坐标系为机械臂的基坐标系。大臂平台静坐标系原点Ob在肩关节静坐标系的位置坐标pb=[0,0,r1]T，肘关节坐标系原点Oe在大臂平台动坐标系的位置坐标pe=[0,0,r2]T，小臂坐标系原点Oj在肘关节动坐标系的位置坐标pj=[0,0,r3]T，腕关节坐标系原点Ow在肘关节动坐标系的位置坐标pw=[0,0,r4]T。其中，r1=160 mm、r2=130 mm、r3=110 mm、r4=200 mm。RA=75 mm、RB=RC=66 mm、RD=80 mm、RE=75 mm、RF=100 mm。采用Denavit-Hartenberg（D-H）法构建相邻关节之间的位姿转换矩阵，分别为A1=Rb001,A2=Ibpb01,A3=Repe01,A4=Ijpj01,A5=Rwpw01 （1）Rb=R（x,αb）R（y,βb）R（z,γb）Ib=IRe=R（x,αe）R（y,βe）Ij=IRw=R（x,αw）R（y,βw）R（z,γw） （2）式中，αb、βb、γb分别为肩关节动平台绕xb、yb、zb轴的旋转角度；αe、βe分别为肘关节动平台绕xe、ye轴的旋转角度；αw、βw、γw分别为腕关节动平台绕xw、yw、zw轴的旋转角度；I为单位矩阵。腕关节动坐标系相对于机械臂基坐标系的位姿变换矩阵为0Tw=A1A2A3A4A5=0Rw00Pw1 （3）式中，0Rw、0Pw分别为腕关节相对于基坐标系的姿态矩阵和位置向量。若已知腕关节相对于基坐标系的姿态矩阵和位置向量，可得肘关节动平台绕xe轴的旋转角度为αe=π-arccos（r1+r2）2+（r3+r4）2-pw22（r1+r2）（r3+r4） （4）式中，pw=pw_x2+pw_y2+pw_z2。腕关节坐标系原点相对于基坐标系的位置向量表示为0Pw=pw_xpw_ypw_z=（r3+r4）(c βbc γbs βe+c αec βes βb+c βbc βes γbs αe)+（r1+r2）s βb-（r3+r4）[c βes αe(c αbc γb-s αbs βbs γb)-s βe(c αbs γb+c γbs αbs βb)+c βbc αec βes αb]-（r1+r2）c βbs αb（r3+r4）[s βe(s αbs γb-c αbc γbs βb)-c βes αe(c γbs αb+c αbs βbs γb)+c αbc βbc αec βe]+（r1+r2）c αbc βb （5）式中，c为cos函数符号的缩写；s为sin函数符号的缩写。由于康复外骨骼机构具有8个自由度，存在冗余自由度；末端手掌位置反解存在无数解，必须给定两个确定的输入参数值，才能求出各关节输出的唯一解。假设βe、γb为给定的值，对式（5）简化可以得到0Pw=pw_xpw_ypw_z=s βb*A1+c βb*A2c αb*A3+s αbs βb*A2-s αbc βb*A1s αb*A3-c αbs βb*A2+c αbc βb*A1βb=2arctan 2[A1±A12+A22-pw_x2，A2+pw_x]αb=2arctan 2[A4±A32+A42-pw_y2，A3+pw_y] （6）式中，A1=(r3+r4)(c αec βe)+(r1+r2)A2=(r3+r4)(c γbs βe+s γbs αec βe)A3=(r3+r4)(s γbs βe-c γbs αec βe)A4=s βb*A2-c βb*A1将肩关节动平台的输出角度αb、βb代入肩关节姿态计算位置反解，即可求出肩关节驱动器的输出位移。腕关节静坐标系相对于基坐标系的姿态矩阵0Rw'=RbIbReIj，腕关节动坐标系相对于基坐标系的姿态矩阵0Rw=R0Rw'Rw，则Rw=R0Rw'-1R0Rw=R0Rw'TR0Rw （7）由式（7）可以得出腕关节动平台的输出角度αw、βw、γw，将其代入腕关节进行姿态计算位置反解，即可得到腕关节驱动器的输出角度。2.2　机构部分运动学分析为获取各关节的输入和控制参数，需要计算在已知肩部机构转角αb、βb，肘部机构转角αe及腕部机构转角αw、βw、γw的条件下，5个电动推杆Li（i=1，2，…，5）的长度li（i=1，2，…，5）和速度l˙i（i=1，2，…，5）以及3个电动机Mi（i=1，2，3）的角度θi（i=1，2，3）和角速度θi•（i=1，2，3）。其中，大臂动坐标系相对于肩部基坐标系的姿态变换矩阵RT1=A1A2，则aO0Bi在基坐标系中可表示为aO0Bi=aO0Ob+RT1∙aO0Bi' （8）则li=|aO0Bi-aO0Ai|2，i=1,2,3 （9）对于肩部机构单一支链，其矢量闭环示意图如图4所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F004图4肩部支链示意图Fig. 4Schematic diagram of the shoulder branches建立闭环矢量方程为aO0Ob+aO0Bi=aO0Ai+aAiBi （10）对式（10）进行时间求导得vbi=ωa×aO0Bi=ωi×liwi+l•i∙wi （11）式中，vbi为Bi点的速度；ωa为大臂平台的角速度；ωi为电动推杆Li（i=1，2，…，5）的角速度；wi为电动推杆Li上的单位向量；li•为li伸缩运动速度。式（11）左右两边点乘wi，可得支链伸缩运动速度和加速度分别为li•=（aO0Bi×wi）⋅ωa （12）li••=εa×aO0Bi+ωa×(ωa×aO0Bi) （13）式中，εa=ω˙a=dωa/dt0。式（11）左右两边叉乘wi，可得运动支链角速度和角加速度分别为ωi=wi×（ωa×aO0Bi）li=JJ∙ωa （14）ai=wi×li••-2li•ωili （15）其中，JJ为一个3×3的雅可比矩阵，即JJ=-1*0ωizωiyωiz0ωixωiyωix0⋅0（aO0Bi）z（aO0Bi）y（aO0Bi）z0（aO0Bi）x（aO0Bi）y（aO0Bi）x0li （16）小臂动坐标系相对于大臂的动坐标系的姿态变换矩阵RT2=A3A4，则aOjDi在大臂动坐标系下可表示为aObDi=aObOj+RT2∙aOjD'i （17）则li=aObDi-aObCi2，i=4，5，6 （18）对于肘部机构的支链，其闭环矢量图如图5所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F005图5肘部支链示意图Fig. 5Schematic diagram of the elbow branch chain由于不考虑人体上肢的运动，肩部机构与肘部机构类似，计算肘部速度和加速度与肩部速度和加速度求解同理，在Ob-xbybzb坐标系下，肘部支链的运动速度和加速度分别为li•=（aOjCi×wi）∙ωj （19）li••=ε×aOjCi+ωj×（ωj×aOjCi） （20）式中，εj=ωj=dwj/dt。运动支链的角速度和角加速度分别为ωi=wi×（ωj×aOjCi）li=JZ∙ωj （21）ai=wi×l••i-2l•iωili （22）式中，ωj为小臂平台相对于大臂平台的角速度；JZ为一个3×3的雅可比矩阵，即JZ=-1*0ωizωiyωiz0ωixωiyωix0⋅0（aOjBi）z（aOjBi）y（aOjBi）z0（aOjBi）x（aOjBi）y（aOjBi）x0li （23）腕部支链示意图如图6所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F006图6腕部支链示意图Fig. 6Schematic diagram of the wrist branch chain腕部运动以小臂动坐标系为基坐标系，由于lEF长度固定，则lEF=aOEFi-aOEEi2为常数，令ZE=0，yE=REsin(ηi+θi)，xE=REcos(ηi+θi)，则xFicos(ηi+θi)+yFisin(ηi+θi)=|aOEEi2|+|aOEFi2|-l22RE=Kθi=2arctan 2[xFi+K,yFi±xFi2+yFi2-K2]-arctan2[xFi,yFi]-ηi （24）式中，ηi为aOEEi在OE-xEyEzE坐标系下的初始位置角度。由图7可知，所有交点轴线交于一点，该点为旋转中心。从机构中心向外的单位矢量，用单位向量Ui，Vi，Wi表示。近端连杆共轴连接，因此，单位向量U1=U2=U3=[0，0，1]T，初始时刻Wi，Vi坐标分别为Wi*=-sinηisinα1cosηisinα1-cosα1Vi*=-sin（δ-ηi）sinβcos（δ-ηi）sinβ-cosβ （25）式中，近端连杆分配角度关系的参数ηi取2(i-1)π/3。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F007图7坐标系设定Fig. 7Setting of the coordinate system近端连杆仅做绕Z轴的转动，因此，当输入角度为θi时坐标为Wi=-sin(ηi+θi)sinα1cos(ηi+θi)sinα1-cosα1Vi=Rw-sin(δ-ηi)sinβcos(δ-ηi)sinβ-cosβ （26）利用向量Wi与向量Vi的夹角为α2，建立约束方程为Wi∙Vi=cosα2 （27）对式（27）求导得Wi•∙Vi+Wi∙Vi•=0 （28）式中，Vi•=ω×Vi；Wi•=θi•Ui×Wi；ω为动平台角速度。因此，式（27）可化简为θ•=JWω （29）式中，θ•=[θ1•θ2•θ3•]T；JW=[j1j2j3]T，JW为雅可比矩阵，其中Ji=Wi×Vi(Ui×Wi)∙Vi （30）2.3　工作空间范围及奇异特性当机构处于某个特定的位形时，其雅可比矩阵成为奇异矩阵，其行列式为0或者无穷大或者不确定。由式（12）可知，肩部雅可比矩阵为Ja=aO0B1×w1aO0B2×w2aO0B3×w3 （31）令det[Ja]=0，方程无解，肩部机构不存在奇异点。由式（19）可知，肘部雅可比矩阵为Jb=aOjC4×w4aOjC5×w5aOjC6×w6 （32）令det[Jb]=0，得到αe=0，此时肘部处在奇异位置。若式（26）无解，则腕部处在奇异位置，通过Matlab编程计算末端执行机构的工作空间，如图8所示。图8工作空间仿真图Fig. 8Simulation diagram of the workspace10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F8a1（a）三维操作空间10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F8a2（b）XOY平面内投影10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F8a3（c）XOZ平面内投影10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F8a4（d）YOZ平面内投影 由图8可知，康复外骨骼机器人末端质心在空间3个坐标的运动范围为-600 mm≤x≤600 mm，-600 mm≤y≤600 mm，-200 mm≤z≤600 mm。表2所示为人体上肢关节康复范围与康复机构运动边界。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.T002表2人体上肢关节康复范围与康复机构运动边界Tab. 2Rehabilitation range of human upper limb joints and movement boundary of rehabilitation mechanisms项目后伸前屈内收外摆内旋外旋肩关节-45~00~90-30~00~90-45~00~45肩部机构-60~00~60-60~00~60-90~00~90肘关节00~90——-20~00~10肘部机构00~120——-45~00~45腕关节-45~00~45-20~00~30-45~00~45腕部机构-45~00~45-45~00~45-180~00~180°由表2可知，除肩关节的前屈运动、外摆运动外，人体上肢关节康复所需范围基本上包括在康复机构的运动边界范围之内，且操作空间满足日常活动范围的需要，这表明该康复机构在人体上肢康复空间上是符合要求的。3 仿真分析首先，确定机器人末端依次经过图9所示的A-B-C-A轨迹，通过Matlab针对康复机器人进行轨迹规划，求解各个关节的驱动函数。将SolidWorks中设计的上肢康复外骨骼机器人的模型导出为Adams所需的.x_t格式文件，再将该.x_t格式文件导入Adams中生成.bin文件，依次添加各零件所需材料信息及零件之间的约束关系、重力方向、关节运动所需驱动等条件，最后进行运动学和动力学仿真。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F009图9机器人末端运动轨迹Fig. 9Motion trajectory of the robot's end机器人的末端运动轨迹（图9）中，仿真时间为8 s，步长为0.01 s。通过仿真模拟，获得末端质点在3个坐标轴方向上的位移、速度、加速度，分别如图10~图12所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F010图10末端质点位移-时间曲线Fig. 10Displacement-time curves of the end centroid10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F011图11末端质点速度-时间曲线Fig. 11Velocity-time curves of the end centroid10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F012图12末端质点加速度-时间曲线Fig. 12Acceleration-time curves of the end centroid后处理的结果显示，所得的数据在康复运动完成阶段内，位移、速度、加速度平滑稳定，没有出现突变，这说明结构和轨迹规划设计得合理可行。根据表1，成年人上肢的平均质量为3.75 kg，其中大臂、小臂、手掌的平均质量分别为1.95 kg、1.20 kg、0.60 kg。将计算的等效质量分别添加到上肢康复外骨骼装置的手部平台、小臂平台、大臂平台的质心处，得到仿真所需的手掌、小臂和大臂的当量质量；最后进行仿真。该机构设计的驱动分为腕关节的电动机驱动和肩肘关节的电动推杆驱动，因此，对该机构分别进行驱动转矩分析和驱动力分析。通过对上肢康复外骨骼机器人模型的分析可知，在外骨骼机器人各关节的运动中，腕部装置所需承受的驱动力最小，掌屈/背伸这一个自由度所需驱动力最大。首先，对该自由度进行分析，将该模型的初始姿态设置为水平伸直状态，将该自由度以外的驱动设置为0，仿真时间为20 s；然后进行仿真，可以得到腕部掌屈/背伸时最大驱动转矩为1.77 N·m。同理可得，桡屈/尺屈时最大驱动转矩为1.44 N·m，内旋/外旋时最大驱动转矩为0.48 N·m。腕部3个自由度的驱动转矩如图13所示。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F013图13腕部驱动转矩Fig. 13Drive torque of the wrist上肢康复外骨骼肘部和肩部的设计都采用电动推杆驱动，并使康复外骨骼的初始姿态处于最大负载姿态，选取合适的关节驱动，并将其他关节驱动设为0，最后进行仿真，得到的肩肘各关节所需最大驱动力如图14所示。其中，肩部外展/内收时最大驱动力为278 N，屈曲/伸展运动时最大驱动力为118 N，内旋/外旋时最大的驱动力为65 N；肘部屈曲/伸展的最大驱动力为89 N，内旋/外旋的最大驱动力为98 N。10.16578/j.issn.1004.2539.2024.04.007.F014图14肩部和肘部的驱动力Fig. 14Driving force of shoulders and elbows4 结论1）针对现有上肢外骨骼存在的刚度低、承载能力差的问题，提出了一种新型的8自由度串并联上肢康复外骨骼机器人，创新性地设计了一种新型的2自由度肘部康复装置，代替传统的单自由度肘部康复装置，完善了传统肘部康复装置未考虑的内旋/外旋运动。2）对机构刚体部分进行了运动学建模，计算了运动学逆解，并通过Matlab对机器人进行了工作空间分析，绘制其末端机构的工作空间，验证了其满足患者日常康复所需工作空间要求。3）对机器人末端质点进行轨迹规划，在Adams中获得了末端质心运动平稳轨迹，验证其结构设计和运动学模型的合理性，并通过约束多余自由度仿真其最大负载姿态，绘制其负载特性曲线，为驱动选取和样机搭建奠定基础。