专利：一种上肢康复训练机器人[2]
该康复机器人装置包括底座、人体工学座椅、康复机械臂和人机交互控制柜。底座安装有高度调节机构和横向移动机构，横向移动机构上置悬伸臂；康复机械臂包括肩部外展/内收关节，肩部屈伸关节，上臂、肘关节、前臂内旋外翻关节、前臂、腕部屈伸关节、手掌和手指，肩部屈伸关节和肩部外展内收关节连接，前臂由肘关节与上臂连接，前臂上装有前臂内旋外翻关节，手掌由腕部屈伸关节与手掌连接，手掌由一连杆连接手指；在上臂、前臂和手掌上固连3个力传感器，其中固连于上臂的传感器是二维传感器。该机器人为患者上肢各关节提供三维空间内的复合康复运动，能够较高质量地完成患者上肢康复训练。
该装置的优势在于能够支持多关节且包含手指关节的康复训练，能够提供动力，使患者被动训练，能够为患者康复起到较好的康复效果。但是，由于该机构采用外骨骼式的结构，机构略显庞大，精度要求也相应高，导致造价成本会高，无法使用于普通家庭使用，因此也是无法推广开来。
在该装置的基础上，如果能够精简机构，将会取得很好的效果。
专利：多功能上肢康复机器人[3]
该康复机器人装置根据康复医学理论和人体合作机器人原理，运用计算机技术模拟人体上肢的运动规律，使用时可根据病患的轻重和患者的体能自主调整康复训练的速度和强度，从而达到最佳的康复效果。多功能上肢康复训练机器人包括运动面调整机构。摆动运动机构、伸缩运动机构、控制箱和把手、控制箱内装有PC机、单片机和驱动器系统、输入键盘和显示器。控制信息可从键盘上输入，运动状况可在屏幕上显示。该产品不但能够用于心脑血管疾病致瘫和因意外事故等造成的上肢体损伤患者做上肢康复训练，也可用于健康老年人的体育锻炼。
该产品的优势在于提出了一种可调性和可控制性，能够根据不同的对象做不同的调整，并且有控制系统能够做出响应的改变，同时实现的运动机构也相对简单。但该产品在康复训练方面，由于能够实现的自由度有限，因此能够达到的训练效果也有限。
在该装置的基础上，在可调与可控制的前提下，如果能够变换机构形式，增加自由度，全方位的训练角度，将会有不错的效果。
专利：上肢康复训练装置[4]
该上肢康复训练装置，其特征点是包括机架、位于机架上方的支撑板；在支撑板上固连纵向把手；机架与支撑板之间设置两组运动平面相互垂直的平面连杆机构；该机构中曲柄的一端与转轴固连，另一端与连杆联动，连杆另一端铰接在支撑板上；两组平面连杆机构共用一根支撑杆，支撑杆一端固定在机架上，另一端通过球面副与支撑板连接；在连杆与支撑板之间采用十字铰接连接。该装置简单小巧、便于嫁接在其他康复机械上，手部姿态丰富，可提供多为空间运动。该装置的优势在于简单便携、成本低，巧妙的运用一个可多方位运动的支撑板和一个把手来实现上肢的运动。但由于该装置是将手置于支撑板上运动，支撑板运动的局限性也将导致手部的运动有限，并且手部是放在支撑板上，并不一定能够随动，导致的必然后果是训练的效果很差。该装置需要在运动的自由度上做改进，结合现在简单的优势，将会很适合普通家庭的患者使
用。
国外发展现状
1991年，MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS，该设备采用五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和平滑性，用于病人的肩、肘运动。MANUS具有辅助或阻碍手臂的平面运动功能，可以精确测量手臂平面运动参数，并通过计算机界面为患者提供视觉反馈，在临床应用中取得了很好的效果。在此基础上，他们又研制了用于腕部康复的机械设备，可以提供三个旋转自由度，并进行了初步的临川实验。与一般工业机器人不同，MIT-MANUS在机械设计方面考虑到了安全性、稳定性以及与患者近距离物理接触的柔顺性。[5]
1993年，加利福尼亚大学的lum设计了名为手-物-手的康复装置。该装置从人类日常生活中对双手协调性工作的需要出发，以简单的双手移动和挤压物体训练双手协调性。两年后，lum又设计出了另一套训练上手上举协调性的装置，并在装置上绑上装满咖啡的杯子，依靠装置为患手提供力辅助而成功完成上举的实验来证明了该装置的可行性。这两个装置结构功能都比较简单，由于实验是由正常人完成的，隐刺未作出对肌肉运动功能的评价。[6]
1999年，Reinkensmyer等研制了辅助和测量向导ARM-Guide，用来测量患者上肢的活动空间。2000年他们对该装置进行了改进，用来辅助治疗和测量南损伤患者上肢运动功能。该设备有一个直线轨道，其俯仰角和水平面内的偏斜角可以调整。实验中患者手臂缚在夹板上，沿直线轨道运动，传感器可以记录患者前臂所产生的力。这种设备训练方式单一，无法进行更深入的研究。[7]
1999年，Cozens J A lastair设计了一套康复装置，该装置跟随支撑前方的闪烁灯执行10°-80°的肘部屈伸运动。系统获取电子量角器、加速度计的反馈，根据控制法则对支撑臂上的患肢运动进行外力辅助或干扰，最后依据试验结果，给出训练方式的效果比较。
2000年，lum与斯坦福大学合作开发了名为MME系列康复机器人。该系列机器人分为3代。第一代完成两个自由度的单关节运动，包括肘部弯曲伸展，前臂的旋前旋后；第二代能够实验前臂的平面运动；第三代能够实现前臂的三维空间运动。第二代和第三代的显着特点是在Puma系列奇迹人的带动下，不但能够完成单侧训练而且能够完成镜像运动。人体上肢由两个支撑架支撑，提供上肢运动的Puma机器人连接在患侧支撑架上，当健侧实现某二位或者三维运动时，负责监测的传感器和光电编码器记录运动，并将数据传送给Puma机器人，带动患侧实验对健侧运动的复制。训练疗程前后采用传统的临床方法对患者进行评价，并对比证实了该装置康复训练对肌肉运动功能的回复。[8]
2005年，瑞士苏黎世大学的Nef等开发了一种新型的上肢康复机器人ARMin，它是一种6自由度半外骨架装置，安装有位置传感器及6维力/力矩传感器，能够进行肘部屈伸和肩膀的空间运动，用于临床训练上肢损伤患者日程生活中的活动。[9]
此外关于上肢康复训练机器人的报道还有：REAROB以及华盛顿大学设计的7DOF上肢外骨骼装置等。
存在的问题分析
通过对国内外专利产品等的研究和探讨发现，国内外产品普遍存在的问题是康复机器人无法对上肢进行全面的康复训练，并且所设计的康复机器人几乎都是适用于医院的，很难找到一款适合普通家庭使用的机器人。另外，有部分产品的训练较为全面，但是由于机构复杂度很高，造价和费用都较高，也不适合普通家庭使用，难以推广开来。
无论是国内的专利还是国外的产品等，都没有建立起完善的康复评价体系，不能自动根据患者康复的阶段进行相应的更改。
研究国内外的产品不难发现，现有上肢康复机器人的可调性差，舒适性差，安全性不足，带动力源的器械，整个装置工作时有噪音和振动，不能够针对不同病况的患者有针对性的训练。一些较为精密的外骨骼式的机器人，甚至对于某些体型的人存在不可使用性，也制约了着部分产品的发展。
初步的解决方案和技术路线
设计方向
现有的上肢康复器一般机构较大，装置复杂，只能在一些较大的医院才
能见到。而对于普通的患者，难以承受医院昂贵的费用，使患者的康复存在较大的心里因素。同时，由于上肢康复的装置较大，操作复杂，不可能让患者在家中方便的使用。
在这样的研究背景和方案下，最终确定设计一款适合普通家庭使用的康复装置。这就要求我们所设计的产品必须具备简单，经济，可靠性好等等特点。 设计方案的特点
（1）产品操作系统尽可能的简单，能够控制主动和被动操作过程中指定点的运动速度和力。
（2）机械臂既可作为驱动、也能提供阻力（以实现主动和被动），机械臂终端的运动可控并要求具有稳定的速度、加速度等运动参数 （3）经济性好，尽可能采用低成本驱动。 （4）体积较小，结构较简单。
（5）安全可靠 初步设计方案 执行系统部分
执行系统部分有五种解决方案：四杆机构（图5-1）、曲柄滑块机构（图5-2）、摇杆滑块机构（图5-3）、平行四边形机构（图5-4）、凸轮机构。
图5-1 图5-2
图5-3 传动系统部分
图5-4
考虑到患者康复的运动不可能处于高速的运动状态，因此需要添加必要
的减速系统。
本装置基于家庭的使用，所需要的成本很低，所以选用的电机应该是一般的普通交流电机，从而需要减速比较大的减速系统。
同时考虑到装置所需要的安全可靠性，最好具有自锁功能，综合各项因素考虑，初步选择蜗轮蜗杆进行减速。是否需要再加二级传动，将视设计计算而定。
设计最终要实现的功能
1、肩关节、肘关节的单自由度运动训练，能够使患者在前期康复过程中肌肉不会萎缩；
2、肩轴关节复合运动的训练；
3、能够辅助上肢完成患者的肌力恢复装置，提供一定的稳定的阻力，帮助患者在后期康复能够主动的进行克服阻力的运动。
第2章
功能分解及功能原理设计
机械系统运动方案设计
机械设计报告
