基于可变刚度关节与交互式界面的上肢康复机器人系统创新研究

《Robotica》：Interactive mechatronic system for improving upper limb rehabilitation

本文介绍了一种创新的上肢康复系统ReHArm，该系统结合可变刚度关节(VSJ)和可变刚度驱动器(VSA)技术，通过五杆机构和放大机构实现大工作空间内的精准运动控制。研究人员开发了集成A.R.M.S.交互界面的完整解决方案，验证结果显示系统能够有效适应不同康复阶段的阻力调节需求，为个性化康复治疗提供了新技术路径。

　　

随着全球人口老龄化加剧和脑卒中发病率上升，上肢运动功能障碍的康复需求日益迫切。传统康复治疗存在治疗师资源不足、训练过程单调、难以量化评估等瓶颈，而现有康复机器人多采用刚性结构，缺乏对患者肌力变化的适应性。针对这一挑战，研究团队开发了创新型上肢康复系统ReHArm，结合可变刚度技术与人机交互界面，为个性化康复提供了新思路。

本研究采用多学科交叉方法，主要技术包括：1）基于拮抗弹簧原理的可变刚度关节机械设计；2）五杆机构与放大机构的运动学优化；3）集成力传感器和光学传感器的实时监测系统；4）Unity开发的A.R.M.S.交互式游戏化界面；5）OpenCR控制板的硬件集成架构。研究通过健康受试者测试验证系统性能。

系统设计与工作原理

通过建立五杆机构的运动学模型，推导出正逆运动学方程，确定工作空间为700×1400 mm。可变刚度模块采用两对拮抗弹簧配置，通过齿轮齿条机构实现刚度调节，扭矩计算公式为τ = J^TF。

控制架构与交互界面

开发基于Arduino OpenCR的控制系统，集成四个FlexiForce A20-251力传感器和光学位置传感器。A.R.M.S.界面包含三个渐进式康复阶段，通过球形机器人游戏化设计增强患者参与度。

实验验证与性能分析

测试结果显示，圆形和八字形轨迹的运动学参数与仿真结果高度一致，角位置误差小于5%。力传感器校准曲线线性度良好(R²>0.99)，可变刚度模块能够实现0-180°范围内的稳定阻力调节。

该研究成功开发了集机械创新、智能控制和人机交互于一体的上肢康复系统。ReHArm原型机重量仅2.5kg，便于临床和家庭使用，其可变刚度特性能够适应不同康复阶段的需求。A.R.M.S.界面通过游戏化设计显著提升治疗依从性。该系统已申请专利保护(第102024000006292号)，为上肢康复提供了创新解决方案，未来将通过临床试验进一步验证其康复疗效。