《Robotics》：Design Evolution and Experimental Validation of the AlmatyExoElbow Assisting Device
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本文综述了AlmatyExoElbow（一种轻量化缆驱动机器人外骨骼）的设计演进、原型机开发与实验验证。该设备专为肘关节康复设计，提供屈曲/伸展（Flexion/Extension）和前臂旋前/旋后（Pronation/Supination）两个主动自由度（DoF），并集成了基于惯性测量单元（IMU）的传感器控制系统，用于精确运动追踪。其机械结构采用3D打印的聚乳酸（PLA）塑料制造，实现了紧凑、模块化且舒适的设计。实验结果表明，该设备运行平稳，通过拮抗缆绳机制实现了可靠的扭矩传递，在功能、便携性和用户舒适度之间取得了良好平衡，展现了其在临床及家庭上肢康复应用中的潜力。
设计演进与实验验证
摘要
本文系统阐述了AlmatyExoElbow辅助设备的设计、原型机制作与实验评估。该设备是一种轻量化的缆绳驱动（Cable-Driven）机器人外骨骼，旨在支持肘关节康复。它提供了两个主动自由度（DoF），分别用于肘部的屈曲/伸展（Flexion/Extension）和前臂的旋前/旋后（Pronation/Supination），并集成了基于传感器的控制系统，以实现精确的运动追踪。机械结构采用3D打印的聚乳酸（PLA）塑料制造，形成了紧凑、模块化且适合长时间使用的舒适设计。控制架构基于集成了惯性测量单元（IMU）传感器的Arduino Nano微控制器，能够实时监测肘部运动并精确复现生理相关的运动模式。实验测试结果证明了其运行平稳且稳定，确认了通过拮抗缆绳机制实现的可靠扭矩传递。总体而言，该设计在功能性、便携性和用户舒适度之间取得了平衡，凸显了其在临床和家庭环境下上肢康复应用的潜力。
1. 引言
上肢运动功能丧失是中枢神经系统疾病后常见的功能性障碍，严重影响生活质量。康复技术，特别是基于重复性、目标性运动的辅助运动疗法，可通过激活神经可塑性过程加速功能恢复。这种疗法与现代机器人设备结合使用时，能更有效地恢复患者的功能独立性。
在众多外骨骼系统中，缆绳驱动设备因其轻量化结构、机械灵活性和与患者交互的安全性而占据特殊地位。此类系统能适应人体关节运动并支持大范围活动。然而，现代外骨骼设备仍存在诸多局限性，例如功能适应性、便携性和人机工程学稳定性不足，且其结构解决方案往往缺乏系统化的设计方法论（如需求分析和多标准优化），限制了其临床实用性。此外，为老年和体弱患者提供舒适、安全和适应性是康复外骨骼领域需要特别关注的重要方面，但许多现有设备仍停留在原型阶段，且缺乏针对老年用户的实际试验。用户对舒适度、操作清晰度和污名化的主观感受也常被忽视，这成为阻碍外骨骼实际应用的关键因素之一。同时，对外骨骼控制策略的要求日益提高，包括基于生物信号（如肌电图EMG、脑电图EEG）、运动传感器（如IMU）、机器学习和神经网络的方法，旨在准确识别用户的运动意图，但这些方法在实时性能、用户适应性和数据处理方面仍有待改进。
在众多针对上肢的机器人设备中，专门为具有两个自由度的肘关节设计的外骨骼相对少见。肘关节具有复杂的生物力学结构，负责屈曲/伸展和旋前/旋后运动，其损伤会显著降低手臂功能。因此，针对肘关节的靶向外骨骼解决方案具有重要的现实意义。
AlmatyExoElbow外骨骼专为接受上肢康复的成年用户设计，适用于卒中后、骨科损伤或影响肘关节活动度的神经系统疾病患者的康复场景。该设备的主要新颖之处在于以下几个方面：实现了两个主动自由度（肘部屈曲/伸展和前臂旋前/旋后） within a single wearable system；采用全3D打印（PLA）的轻量化紧凑结构，便于在临床环境外使用；采用缆绳驱动致动机制，将致动器近端放置，减轻了手臂远端段的负荷；集成了运动传感器，允许实时监测关节运动学。此外，该平台被视为进一步发展的基础架构，未来可集成机器学习算法以根据患者个体特征调整辅助力度、实现临床医生远程监控与指导、以及基于个性化用户数据的自适应康复方案。
2. 材料与方法
AlmatyExoElbow是一款专为肘关节生物力学设计的紧凑型辅助设备，其架构支持关节的两个关键功能性运动，并依赖于缆绳致动传输与集成传感器模块的结合。机械布局旨在最小化重量的同时保持足够的刚性以确保稳定运行，控制方案则配置为确保平滑跟踪用户发起的运动。
2.1. 设计需求与约束
肘关节在确保上肢活动性和功能性方面起着基础性作用。因此，外骨骼的设计需复制其两个自由度，确保生物力学兼容性和患者舒适度。关键设计要求包括：确保生理相关的运动范围（屈曲-伸展约0–150°，旋前-旋后约±80°）；限制设备重量低于1公斤以避免肌肉疲劳；使用柔软且符合人机工程学的接口以实现安全附着；通过运动限制保证安全，防止过度伸展或过大力矩。此外，设计过程还纳入了功能性及工程需求，主要分为四类：佩戴舒适性、便携性（轻量化紧凑设计）、安全性（故障安全系统、过热保护、过载预防）以及适应性（老年友好界面、运动缩放、清晰交互模式）。
2.2. 提出的设计
该系统具有两个主动自由度，通过缆绳驱动机制进行致动。旋前-旋后运动通过双拮抗缆绳（L3a, L3b）配置实现，缆绳附着于腕部平台，通过选择性张紧每根缆绳来实现前臂的受控旋转。屈曲-伸展运动则由两根拮抗缆绳（L1, L2）产生。整个系统的计算机辅助设计（CAD）模型显示，其结构元件为PLA基3D打印设计，具有模块化、重量轻和符合人机工程学的特点。前臂、肘部和肩部平台通过可调节连杆连接，以适应不同的人体测量参数。缆绳系统（L1, L2, L3）实现了从位于肩部平台的伺服电机到关节的高效扭矩传递，从而减轻了用户手臂的远端负荷。
2.3. 外骨骼系统
该外骨骼集成了一个紧凑且模块化的控制架构，旨在确保可靠的致动、实时监控和自适应康复辅助。控制系统包含三个功能平台：手臂平台（中央控制单元），承载Arduino Nano微控制器、三个伺服电机、电源模块（两块电池和降压转换器）、三个用于过载保护的电流传感器以及用于离线分析和临床监测的SD/SDHC卡存储；肘部平台，包含用于传递屈曲-伸展致动力的滑轮组和缆绳导向装置；腕部平台，通过专用缆绳驱动系统实现旋前-旋后操作，并配备IMU传感器以实时测量前臂的角位移、方向和加速度。
控制算法根据传感器数据动态调整致动器输出。IMU反馈用于实时监控运动轨迹，确保康复练习的精确追踪。安全机制包括过载检测（通过电流传感器）、预设角度限制以及在异常操作时自动切断，以保护患者和设备安全。该系统采用开环轨迹控制策略，结合基于传感器的监控和安全保障。预定义的关节轨迹由伺服电机执行，而IMU和电流传感器用于监控关节运动、强制执行角度限制和提供过载保护。当前原型并未实现闭环轨迹追踪或自适应控制律（如阻抗、导纳或基于学习的控制）。
3. 结果
本研究开发并测试了AlmatyExoElbow外骨骼的两个功能原型。第一个原型（V1）侧重于机械配置、缆绳布线和轻量化结构优化。第二个原型（V2）则进行了运动精度、操作稳定性和传感集成方面的改进。
3.1. 初始原型设计
初始原型按照第2节所述的设计原则构建，框架和套筒采用PLA材料3D打印，提供了足够的强度且质量轻，允许快速迭代。两个圆柱形平台通过可调节杆连接，以适应不同的人体尺寸。早期台架测试揭示了影响可穿戴性和舒适度的若干限制，例如手臂平台较重、使用不便。因此，进行了重新设计以减轻质量、简化穿戴过程并提高用户舒适度。改进措施包括将平台高度从100毫米减少到50毫米，同时保持刚度；采用模块化伺服电机安装座以便于维护和快速更换；对关键区域进行加固并消除薄弱特征。定量性能指标显示，对于屈曲/伸展，命令角度与测量角度之间的均方根误差（RMSE）不超过2.8°，对于旋前/旋后则低于3.4°，表明其轨迹追踪精度可用于康复辅助。系统响应时间（从命令执行到可观察关节运动开始之间的延迟）在180至220毫秒之间，足以满足缓慢且受控的康复练习。运动重复性通过连续周期比较进行评估，两个自由度的最大周期间偏差均低于总运动范围的5%。
3.2. 实验设置
为评估AlmatyExoElbow的功能性能，在受控条件下进行了一系列实验室实验，测试其两个自由度。测试设置旨在验证机械结构、缆绳驱动致动和集成IMU传感系统。在初始配置中，外骨骼安装于支撑架上并悬空，以安全测试机械系统。电机致动传输缆绳以复现肘关节轨迹，同时最小化外部负载。测试期间，将MPU6050 IMU传感器置于前臂或腕部段，记录重复运动周期中的角位移、方向（俯仰Pitch、横滚Roll、偏航Yaw）、角速度和线性加速度。监测的参数包括：运动范围（ROM，屈曲/伸展设为30–120°，旋前/旋后可达±80°）；用于分析运动平滑度和响应性的角速度和加速度；通过电机电流和缆绳张力间接评估的扭矩传递；以及通过评估潜在振荡、回差或控制延迟来检验的系统稳定性。数据采集后使用Butterworth低通滤波器去除信号噪声，并计算关键性能指标。
3.3. 实验结果
实验评估表明，该外骨骼能够为两个自由度生成准确且平滑的运动模式。旋前-旋后测试显示了稳定的旋转周期，具有平滑的角度过渡和一致的加速度曲线，表明缆绳张力可靠且机械回差最小。屈曲-伸展测试的记录信号显示，外骨骼复现了生理相关的肘部轨迹，具有良好的对称性和重复性。角速度显示出清晰的加速和减速阶段，而线性加速度保持在预期范围内，确认了运动稳定且无突然偏差。从改进原型（V2）获得的结果显示，运动曲线更平滑，传感器测量更稳定。角速度过渡更均匀，加速度信号保持在稳定范围内，方向角呈现对称轨迹且偏差最小。这些结果证实了设计改进显著提高了运动精度和整体系统性能。所有实验评估均在受控实验室条件下仅对原型机进行，未涉及人类受试者穿戴或交互。
4. 讨论
对AlmatyExoElbow两个原型版本（V1和V2）进行了比较分析。V1原型主要作为概念验证，重点验证运动学结构和传感器集成，但其手臂平台较重且穿戴不便。V2版本引入了重新设计的平台，采用模块化机身和轻量化PLA组件，总重量减轻约35–40%，并增加了开启铰链机制，显著改善了穿戴过程和用户舒适度。在运动测试中，V2原型显示出更平滑的角速度曲线和更低的传感器噪声，表明其缆绳布线和关节对准性更好。V1原型中观察到的数据偏差（特别是横向运动伪影）在V2中通过改进的对准和机械平衡得以基本消除。这表明适当的运动学建模与实用的人机工程学设计相结合，可以显著增强可穿戴康复设备的功能稳定性。当前AlmatyExoElbow采用开环轨迹控制策略结合基于传感器的监控。这种方法在早期验证阶段确保了简单性、鲁棒性和机械安全性，但未实现实时扭矩自适应或患者努力度估计。实现结合扭矩或阻抗反馈的闭环控制策略可以提高运动精度、交互安全性和对患者特定条件的适应性，但这需要已验证的人-外骨骼系统动力学模型，因此被视为超出当前原型聚焦研究范围的未来工作。
5. 结论
本研究介绍了基于缆绳驱动致动和IMU传感系统的二自由度主动肘关节外骨骼AlmatyExoElbow的设计、开发和实验测试。实验证明，所提出的机制能够准确复现自然的肘部屈曲-伸展和旋前-旋后运动，确保了平滑的运动轨迹和稳定的控制响应。改进的V2原型成功解决了V1中识别出的结构和人机工程学挑战，实现了更高的舒适度、更轻的重量和更好的运动重复性。紧凑传感器与轻量化材料的集成使该设备适用于长期康复应用，在性能、可用性和安全性之间取得了平衡。未来的工作将侧重于实现带有自适应反馈的闭环控制、扩展系统的传感能力，以及与患者进行临床测试以评估其治疗效果和用户接受度。
