系统功能分析
根据人体工程学设计中分析和现代医疗康复实况可以了解到：上肢康复在前期应当包括的单关节自由度运动，而在该时期可能出现一定的痉挛现象，因此系统功能还需要有一定的反馈系统。随着康复的逐步进行，可增加一些手臂的联动，提高手部肌肉的协调。在患者康复到一定阶段后，需要进行一些后期的肌力训练。因此需要在装置中提供适当的阻尼。综合总结系统功能如下：
单自由度运动：肩部的屈伸；肩部的外展内收；上臂、肘关节、前臂的内旋外翻；前臂、腕部的屈伸；肘关节的屈伸。
联合运动：整个手臂在空间的转动，手臂的直线推拉运动
主动运动：手臂在运动过程中会有一定的阻力，并且随着康复程度的不同阻力可调 系统功能实现
通过对手部运动的分析和对现有康复过程的观察，发现肩部关节的内收外展运动范围在135°左右，而肩部的屈伸运动范围可达到180°，但考虑到患者可能出现的痉挛现象。因此运动范围不宜过大，通过讨论和取舍，最终将肩部运动同一定为135°左右，但不宜超过150°。另外还有整个手臂的翻转，其运动范围不应大于180°，手臂的空间联动，运动半径取值为20cm即可。
通过构造一些简单的连杆机构，实现带动手在平面上做一定角度范围的转动。从而实现肘关节、肩关节、腕关节的屈伸、外展内收或扭转。
一般连杆机构存在的优点有：传动精度较高，可调性好，承载能力大，安全可靠，而且加工制造容易，结构简单。 但也存在不容的缺点：运动规律的形式较差，有加速度的峰值，机构整体尺寸大。 具体方案设计描述
由于手部运动涉及到空间范围，以一立方体为主体进行布置机构。 在正对人体的平面上布置一绕固定点旋转一定范围的手柄，实现手部的内旋外翻；布置一个做平面圆周运动的手柄，实现手部的空间运动。
在右侧面布置在一定范围内转动的手柄，实现肩部的屈伸 。
在顶面布置在一定范围内转动的手柄，实现肩部的外展内收；布置在一条直线上运动的手柄，实现手臂的联动。
这些功能的实现都采用曲柄连杆机构，设计时需要实现曲柄所转过的角度为360°，摇杆所转过的角度为135°。
对于患者后期的主动性运动，需要为患者提供一定的阻力，可以采用钢丝绳牵引转动杆在轨道中运动，钢丝绳则采用可调的阻力器提供阻力，准确地为患者提供合适的阻力。而其轨道的布置，与被动式运动的轨迹应该是基本一致的，但也可以设计更加复杂的轨道面来进行训练。
执行机构方案设计
分别在三个面上设计相应的连杆机构。在箱体的正面、侧面、上面分别设计对应的运动轨道。插入手柄即可实现不同轨迹。这样便通过三套连杆机构独立控制不同运动的执行。由于连杆机构可靠性高，承载力大，在加上合适的杆长选取可实现手柄相对平稳的运动。
箱体初步设计外形图
箱体正面的圆形轨道是用来实现整个上肢的圆周转动，实现上肢的联动。小的弧形轨道是用来实现整个手臂的翻转。箱体顶部轨道是实现肩关节的外展内收。箱体侧面轨道是用来实现肩关节和肘关节的屈伸运动。
在实际的设计过程中，考虑到产品的使用对象为偏瘫患者，将这个箱体进行翻转相对困难，因此不宜在箱体上进行多面的布置。另外，由于该产品需要投入市场使用，为获得更好的经济效益和更大的潜在市场，经过多次讨论和研究，最终决定将其三个独立面分开，设计成不同的系统，可提供单独使用。
因此，在设计过程中需要设计三套系统：一套为正面运动，包括肩关节在空间的旋转和整个手臂翻转；一套为侧面运动，可以实现肩部的外展内收和屈伸运动；一套为主动运动，提供包括上面两套装置的运动轨迹并且能够提供可调节的阻力。
这样的设计使得整个装置布置更加简单。正面运动和侧面运动的执行系统都为连杆机构：正面运动中肩关节在空间的翻转由曲柄带动，转动角度为360°，半径可相应的设计调整，正面运动中整个手臂的翻转由摇杆带动，转动角度设计为135°左右，通过一个半径放大，实现不同臂长的运动；侧面运动
中的肩关节的外展内收由摇杆驱动，布置在整个装置的侧面，方便患者训练，侧面运动中的肩关节的屈伸由相同的摇杆驱动，布置在整个装置的顶面，方便患者训练；主动运动则只需要设计相应的定滑轮，引导钢丝绳的走向，形成一个循环的系统，牵引不同的驱动杆在不同的轨道上进行运动。
确定原动机及传动系统
对于偏瘫患者的康复运动，要求运动速度很小，运动相对平稳。因此在设计初期，以驱动杆的运动周期为进行设计。那么，曲柄摇杆机构中曲柄的角速度为r，人手置于驱动杆的力大概为35N（实际中应该会比这个力更小），方向在运动过程中不断改变。如果以手臂长度为70cm进行设计，那么需要提供给驱动杆的最大功率应不大于：
P=G×ω×L=35÷2.5×0.7=7W
可将电机选择为小功率电机。初步选定一般的普通交流电机，转速为1400r/min，从而确定减速比为58。
由于蜗轮蜗杆具有很大的传动比，因此减速系统可设定为蜗轮蜗杆的一级减速，减速比为58。同时由于单头蜗杆的具有自锁功能，能够保证整个装置的可靠性和安全性，所以传动系统最终定为一级的蜗轮蜗杆减速传动。
取蜗轮蜗杆的传递效率为40%，考虑机构间的摩擦等因素，将其效率损失估计为50%，可最终确定电机所需要的功率为：
Pw=P÷40%÷50%=35W
求得电机所需的最大的输出功率为35w。但在实际的使用过程中，电机所需要的功率可能远小于该值，因该值是按照可能出现的最大情况计算得到。
查机械设计手册，选定转速为1400r/min，额定功率为40W的小功率电机YS5024。其他主要参数可参照该手册进行查阅。
由于单头蜗杆具有自锁功能，因此减速系统采用单头蜗杆，蜗杆模数为1，蜗轮模数为58。
选择蜗轮材料为砂型ZCuSn10P1，蜗杆材料为经表面淬火的45号钢，预期的使用寿命为12000h，可以得到几种设计方案，选择蜗杆头数为1的方案，进行校核，可以得到如下结果：
可以看出，该设计的减速系统的蜗轮蜗杆是符合设计要求的。其所有设计参数如下：
而对于患者主动运动的设计，需要提供一个阻力器，该阻力器可以选择为由海菱公司生产的微型磁粉阻力器，型号为。选择该阻力器是因为该阻力器能够通过调节不同的输入电流，实现不同的阻力输出，符合我们设计的需要。
磁粉阻力器外观图
磁粉阻力器技术参数
另外还需要一套能够控制该磁粉阻力器的控制器，该控制器能够调节输入的电流的大小。
磁粉阻力器控制器 控制器技术参数
拟定机械系统运动方案
机械设计报告
