上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究 100页

学校代码：10255学号：上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究UPPERLIMBREHABILITATIONROBOTTENDON-SHEATHTRANSMISSIONCHARACTERISTICSANDMOTIONCONTROLRESEARCH专业：机械设计及理论指导教师：作者姓名：答辩时间：\n上肢康复机器人线管钢丝绳传动性能与运动控制研究摘要上肢康复机器人执行机构设计要求简洁轻巧，具有一定的灵活性，同时要根据康复运动特性（低速、变载、带缓冲等）选择合适的传动系统和驱动装置。一般工业机器人或应用于特殊环境的上肢康复机器人关节普遍采用电机、齿轮减速器、关节轴直接连接的传动机构。这种机构要求电机与齿轮减速器安装在上肢康复机器人关节附近，造成整体重量、体积、造价和内部消耗的增加，降低了上肢康复机器人对外做功的能力和效率。按照“最轻自重最大负载能力”原则，对上肢康复机器人机械结构做出的各种改进研究中，最具有突出效果的是线管钢丝绳传动。尤其是线管钢丝绳传动用于外骨骼穿戴式上肢康复机器人，其传动系统的性能研究具有重要的理论与实用价值。论文通过对国内外钢丝绳传动技术的研究成果进行分析总结，并基于本组所设计出的一套适于上肢康复机器人传动的柔性传动系统-即线管钢丝绳传动系统。对其传动性能进行了较深入研究。通过建立线管钢丝绳传动静态模型，研究分析套管与钢丝绳间相互作用关系，发现线管钢丝绳的传动特性与套管钢丝绳间的摩擦系数、线管钢丝绳的传动空间位姿等密切相关，并具有一定非线性。通过有限元法对管线传动空间位姿进行分析，主要包括套管的材料和结构、节点的位置约束（如节点的间距约束、自由度数约束、方位约束）等方面，并对套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和进行了求解。依据套管空间位姿分析，针对上肢康复机器人各关节运动空间求解，初步确定各活动套管管长，并对各段套管活动段空间位姿进行分析，最终确定了适于本上肢康复机器人的布线方式。\n对套管、钢丝绳的正确选择和使用、材料选择、安装及维护，钢丝绳端部固定方式的选取等做了较为全面的分析，并初步选出了满足上肢康复机器人用的套管和钢丝绳。依据套管适用条件对套管最小曲率半径进行了总结，为线管钢丝绳传动系统的结构参数设计提供了依据。本文还设计了测量线管钢丝绳传动特性的实验平台，实验测定出线管钢丝绳传动的摩擦系数，套管各单元曲率半径对其传动特性影响和仿真方法求取各单元圆弧段对应圆心角之和具有可行性，对线管钢丝绳空间位姿进行了定量分析。最后对上肢康复机器人的运动控制方面进行了一定实验。实验结果表明，通过线管钢丝绳传动系统，该机器人能够实现不同的训练模式。如何将线管钢丝绳空间位姿转化成随时间变化的函数可能为解决上肢康复机器人用线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制提供了一定方向。关键词：线管钢丝绳传动，上肢康复机器人，空间位姿，传动特性，康复训练\nUPPERLIMBREHABILITATIONROBOTTENDON-SHEATHTRANSMISSIONCHARACTERISTICSANDMOTIONCONTROLRESEARCHABSTRACTRehabilitationrobotactuatordesignisconciseandlighterwithacertainflexibility.Atthesametime,accordingtotherehabilitationmovementcharacteristics(lowspeedandvariableload,buffer,etc.),theappropriatedrivesystemanddriveareselected.However,thearmjointappliedtoindustrialrobotsorspecialenvironmentofmechanicalarmiswidelyusedwithmotor,gearreducer,orconnectedwiththetransmissionsystemofthejointshaftdirectly.Theagencyaboveneedmotorandgearreducerinstallednearthemechanicalarmjoint,whichincreasesthedemandforpoweranddrivecomponents,overallsweightandvolume,costandtheincreaseoftheinternalconsumption,reducesthemechanicalarmisothermalabilityandefficiency.Inaccordancewiththeprincipleof"thelightestweight,themaximumloadcapacity",Amongthestudyaboutthemechanicalstructureofmechanicalarmtomakevariousimprovement,tendon-sheathtransmissionisoneofthemostprominent.Therefore,theapplicationoftendon-sheathtransmissioninrehabilitationrobotsystemresearchisofgreatvalueinapplicationandtheoryresearch.Thesummaryofthedomesticandforeignresearchachievementsoftendon-sheathtransmissiontechnology,atendon-sheathtransmissionsystemisappliedtotherehabilitationrobot.Basedonthetransmission,theperformanceisstudied.Thestaticmodelisbuiltbasedonthetendon-sheathtransmissionsystem.Aftertheanalysisofinteractionrelationshipbetweenthetendonandthesheath,Itisshownthatthetransmissioncharacteristicsaredeterminedbythecoefficientoffrictionbetweenthetendonandthesheathandthetransmissionsystem’sspacepose,wireropedrivespacepositionandsoon,andtheinput-outputrelationshipofthetransmissionsystemisnonlinear.Thetransmissionsystem’sspecialposeisanalyzedbyfiniteelementmethodanalysis,whichmainlyincudesthestructureandmaterialofthesheath,locationconstraintsofthesheath(suchasthespaceconstraints,freedomdegree,directionconstraints)etc.,andthesheathspaceposecurveisdividedintoanumberofcircularsection,andthesumofcirculararcsectionofcentralAngleissolved.Whethertheinstallationprocessorwhenused,theminimumradiusofcurvaturehasagreatinfluenceontheservicelife.Therefore,theminimumcurvatureradiusaresummarized.Basedonthesheathspaceposeanalysisandthesolutionofthemechanicalarmmovementofeachjointspace,determinethesheathlengthisdeterminedpreliminarily.Thesheathspaceposeisanalyzedandthewayofwiringissetupthatissuitablefortherehabilitationrobot.Inthispaper,thereisacomprehensiveintroductionmakedaboutthecorrectselectionanduseofthetendon,sheath,materialselection,installationandmaintenance,theselectionofsheathend\nfixedway.Then,thetendonandsheaththatisappliedintheupperlimbrehabilitationrobotisselectedpreliminary.Accordingtotheapplicableconditionofthetendon,thetendonminimumradiusofcurvatureissummarized.Abasisisprovidedforthestructuralparametersofthetendon-sheathtransmissionsystem.Atendon-sheathtransmissionexperimentplatformissetup,whichmeasuresthecoefficientoffrictionofthetendon-sheathtransmission,theroletheradiusodcurvatureplaysinthetransmissionsystem,andthatitisfeasiblesimulationmethodtocalculatethesumofthecorrespondingunitcirculararcsegmentcentralAngle.Quantitativeanalysisoftendon-sheathtransmissionsystemhasbeencarriedon.Finally,someexperimenthasbeendoneabouttheupperlimbsrehabilitationrobotmotioncontrol.ItshowsthattTherobotcanrealizedifferenttrainingpatternswiththetransmissionsystem.Buthowtoconvertethetendon-sheathtransmissionsystem,spaceposeintoafunctionofchangeovertimewillofferagoodmethodforthesolutionofNonlinearcompensationmovementcontrolinrehabilitationrobot.YangAihua(MechanicalDesignandTheory)SupervisedbyWangShengzeKEYWORDS:tendon-sheathtransmission,upperlimbrehabilitationrobot,spacepose,transmissioncharacteristics,rehabilitationtraining\n目录摘要IABSTRACTIII第一章绪论11.1研究背景11.2研究意义11.3研究现状21.4线管钢丝绳传动特性研究现状51.5康复机器人发展现状61.6主要研究内容8第二章上肢康复机器人管线传动位姿分析92.1静态系统建模92.1.1上肢康复机器人柔性传动系统92.1.2系统圆弧段模型静态力学分析102.2线管钢丝绳传动中套管位姿分析122.2.1套管的材料和结构对套管位姿的影响122.2.2位置约束对活动套管空间位姿的影响162.2.3空间位置对套管应力分布状态的影响262.3套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和的求解292.3.1套管曲率半径-最大应力关系292.3.2套管曲线圆弧段对应圆心角之和的求解302.4小结33第三章上肢康复机器人布线特性研究353.1上肢康复机器人各关节运动空间353.1.1机构运动空间求解353.1.2活动套管管长的确定363.2套管活动段位姿分析413.3小结54第四章上肢康复机器人套管钢丝绳的选择和使用554.1钢丝绳554.2钢丝绳端部固定方式574.3套管的选型584.3.1橡胶软管的种类584.3.2高压软管594.3.3套管的正确选择、安装及使用指南594.4套管最小曲率半径的研究614.4.1套管最小曲率半径的一般获取方法614.4.2套管不发生塑性变形最小曲率半径624.4.3套管工作最小曲率半径获取方法674.5结论68第五章线管钢丝绳传动特性测试与运动控制试验695.1线管与钢丝绳间摩擦系数的确定695.2线管钢丝绳传动特性研究725.3线管钢丝绳传动运动控制初步试验79\n5.4小结81第六章总结与展望836.1总结836.2展望83参考文献85攻读硕士期间研究成果89致谢90\n\n第一章绪论1.1研究背景康复工程（Rehabilitationengineering）是生物医学工程的一个重要分支学科，主要研究如何运用工程技术手段提高残障人士的生活质量。它的理论基础是人机环境一体化和工程仿生，在此基础上形成了服务于各种康复目的的设施与装置。其任务是研究与开发人体功能评估、诊断、恢复、代偿以及重残者护理所需的各种设施。康复训练机器人是典型的人机合作系统，它直接作用于人体，与人在同一个物理空间工作，人与机器作为一个整体协调运动，所以对康复机器人的安全性、柔顺性提出了严格要求，而且康复机器人不以高精度控制与快速响应为主要指标，而以完成既定有效康复运动为主要目标，使患肢各运动关节能获得有效康复训练。近年来发展起来的线管钢丝绳驱动技术可将驱动器外置于基座上，使得机构结构相对简单，惯性小、柔性好、可模块化、可重构，适于康复训练机器人。而线管钢丝绳传动相比一般钢丝绳传动具有更多优点。线管钢丝绳传动是一种轴向刚度大、弯曲刚度小的挠性传动，具有噪声低、传动平稳、布置灵活、易于安装和维护等特点。研究室在开发新型6自由度外骨骼上肢康复机器人的过程中，迫切需要一种结构紧凑、布局灵活、传动平稳与安全性要求严格的传动装置，本文的研究即是基于这种需求而提出的。1.2研究意义机械传动方式有很多种，如直接驱动设计、齿轮传动、链传动、带传动、索传动等。其中，索传动在应用时主要有以下两种传动形式：线管-钢丝绳传动和滑轮-钢丝绳传动。线管钢丝绳传动是一种简单有效的挠性传动方式。其组成为套管、钢丝绳（单股或多股）和调线装置等。线管结构简单，具有很好的轴向受压抗变形能力和径向柔韧性，便于在空间中灵活布置，驱动力依靠线管受压钢丝绳受拉传递。(1)与其它机械传动机构相比，线管钢丝绳传动具有以下主要特点：①传动平稳可靠线管钢丝绳传动一般采用钢丝绳和线管共同分担载荷，即使在多股钢丝绳中某股钢丝有小的质量缺陷或不规则的形状，也不会造成运动上的不连续，从而不会对整个传动系统有大的影响。②运动方向布置灵活\n整个传动系统以线管为传动导向，而线管的柔韧性决定了钢丝绳运动方向布置灵活（如布置为直线运动、曲线运动、空间交错运动等）。③自重轻相对承载能力大与其它机构传动相比，线管钢丝绳传动可以使动力源和执行机构较远距离分离，且线管钢丝绳传动布置灵活，可将动力源置于基座减轻上肢康复机器人整体重量与惯性，增加相对承载能力和传动效率。④预紧装置作用线管钢丝绳传动主要靠线管受压钢丝绳受拉来传递力，传动轮上的预紧装置（甚至线管本身可作为一种预紧装置）对传动过程中的钢丝绳施加张紧力，还能增加线管刚性减少线管塑性变形，确保传动的有效。(2)与滑轮-钢丝绳传动相比，具有以下特点：①线管的柔韧性使线管钢丝绳传动的空间布置更加灵活；②线管起导向作用，无需转向轮转向，机构更加紧凑，成本更加节省；③线管起绳索支撑作用，无需中间支撑滑轮，传动距离增大，设计更灵活；④线管内可自润滑或外注润滑油，降低钢丝绳表面磨损，延长钢丝绳使用寿命；⑤传动过程主要依靠线管受压钢丝绳受拉传递力，可避免钢丝绳与滑轮之间的摩擦，延长使用寿命；⑥线管对钢丝绳起保护和导向作用，防止钢丝绳间干涉，使钢丝绳运动过程更加平稳顺畅。线管钢丝绳传动的运动平稳性和安全性可以满足并保障其应用于康复训练辅助机械，且该传动系统具有传动路线灵活、自重轻相对承载能力大等特点，是本文研究上肢康复机器人线管钢丝绳传动与性能的主要原因。虽然线管钢丝绳传动惯量小、传动路线灵活性好，但线管钢丝绳传动输入输出呈一定非线性且存在迟滞现象，不易实现精密控制，而且钢丝绳的弹性及对软管的压力作用、线管钢丝绳随执行机构空间运动等会引起线管空间位姿的变化等，特别是当软管塑性变形、外界扰动、载荷变化等发生时，导致线管钢丝绳传动在实际应用中带来运动误差更难控，使得线管钢丝绳传动不能够像其它机构传动那样大多依靠运动学控制就可以满足工业机器人一般作业任务要求，而线管钢丝绳用于康复机器人传动，上述不足影响不大，因为康复机器人不以高精度控制与快速响应为主要指标，其主要目标是以完成既定有效康复运动即可，这也是本文研究上肢康复机器人线管钢丝绳传动重点放在运动控制的原因所在。1.3研究现状\n目前，钢丝绳传动按精度控制可以分为一般钢丝绳传动和钢丝绳精密传动两大类，按传动方式可分为线管钢丝绳传动和滑轮钢丝绳传动两种。钢丝绳传动在科学研究、海港和海洋船舶吊运、航天、医学、建筑、桥梁、车辆及虚拟现实等领域已得到广泛的运用[1]，例如汽车拉索、摩托车拉索、微创手术机器人、救灾机器人、康复机器人等。在国外钢丝绳传动在机器人精密传动和平台类产品中应用较广。在机器人精密传动中大多利用钢丝绳精密传动的设计灵巧性和传动中的高精度特性，在平台类产品中的应用则体现了钢丝绳精密传动的高刚度和高精密度特性[2]。(a)机器手臂的理论模型(b)机器手臂的实物图图1-1JasonYapChua等研制的机器人手臂如在美国佛罗里达大学JasonYapChua的论文[3]中，详细介绍了在设计机器人手臂过程中对钢丝绳精密传动的应用，如图1-1-a为机器手臂的理论模型，图1-1-b为实物图。论文对系统各部分的刚度进行分析计算，但是论文对钢丝绳传动中预紧力、缠绕、刚度的分析都不够深入，钢丝绳的空间布置规范等没有得到很好的设计理论来指导。而且论文的分析只限于该机械手臂的设计，通用性不强。Sagebrush技术公司开发了钢丝绳精密传动[2]的典型传动形式，在BMDO激光通信工程中采用了钢丝绳精密传动，该公司把这种传动方式称为“Roto-Lok旋转传动器”。并应用于军事和民用产品中，从人造卫星天线和视频照相机系统、自动组织检查单元甚至摄影调教装置都采用“Roto-Lok”机械装置来实现精确角度定位。“Roto-Lok”中的每组钢丝绳上都串联弹簧，拉伸弹簧使每组钢丝绳在工作前就预先加载一定的预紧力，并可以通过精确调整弹簧的长度来定量的设定预紧力。“Roto-Lok”产品天线远程位置调节器和“Roto-Lok万向节模型30”产品的图片如图1-2\n所示。该公司对钢丝绳精密传动的应用有丰富的经验，但从目前公开的资料来看，对钢丝绳精密传动的深入理论分析，对于设计中的预紧力的选择、刚度和精度的具体计算方法，对于钢丝绳的空间布置方式等，该公司都没有公开可参考的理论依据。图1-2“Roto-Lok”系列产品在狭小空间作业机器人的特点是外形尺寸小动作灵活，在康复机器人中主要利用传动路线灵活性、自重轻承载力大等特性。基于线管钢丝绳传动在结构设计上的优越性，逐渐应用于康复机器人领域。图1-3绳索牵引并联康复机器人例如德国弗朗霍费尔研究所研制的绳索牵引并联康复机器人，如图1-3所示，在步态分析、绳驱动并联机器人方面取得了一些研究成果[4]。采用7根绳索牵引，控制受训者躯干，同时辅以其它绳索用于躯干运动的测量。该机器人能够保证受训者在训练过程中的平衡能力，同时还可以实现减重训练。采用绳索驱动代替杆驱动，具有良好的柔顺性及安全性。但其空间绳索布置较复杂，成本昂贵。钢丝绳传动自重轻相对承载大及布置灵活性等潜在价值使国内各科研机构纷纷在该方向投入了研究。如上海交通大学提出的用于物流系统的上肢康复机器人解决方案[5-6]中，其传动方式也采用了钢丝绳传动。在该机构中大臂关节为直接驱动，中臂和小臂关节设计为钢丝绳传动。大臂关节处使用环形缠绕，中臂关节处由环形缠绕改进为行星“8字形”缠绕方式，解决了环形缠绕会产生的运动耦合联动问题，整个结构紧凑高效，在减轻质量的同时提高对外做功的能力，同时增加了关节的运动范围。但由于大臂处直接驱动，并没有把动力系统和执行机构分离开，不仅限制了机构设计的可利用空间，同时也额外增加了系统的无用功，故没有充分发挥钢丝绳传动的优势。\n哈尔滨工程大学机电工程大学的王克义博士、张立勋教授等研制了一款1R2T绳索牵引骨盆康复机器人[7]，并以该平面绳索牵引并联机器人为对象，对动平台的静态刚度进行理论分析和仿真研究；通过有限元软件ANSYS建立了平面绳索牵引并联机器人模型，根据等效静态刚度定义，仿真了不同绳索布置方案和不同绳索最小拉力情况下动平台的静态刚度，得出在绳索最小拉力较小时，随着绳索最小拉力的增大，动平台的等效静态刚度增大，绳索拉力对系统静态刚度影响作用表现明显；而绳索最小拉力增大到一定程度时对系统静态刚度几乎无影响作用的规律，并进行了相关理论分析。2013年，庄德胜发明了一款名为一种绳驱动多关节机器人，专利号为CNA，该发明机器人共8个自由度，可以更加充分地发挥钢丝绳传动的优点，如传动精度高，易于布置等[8]。钢丝绳精密传动和一般钢丝绳传动的应用特点有较大差异，常规的钢丝绳传动主要用于传递力矩，而钢丝绳精密传动却必须同时做到精确传递力矩，又传递精确的运动[8]。国外的很多公司、科研机构目标主要集中在钢丝绳精密传动并拥有丰富的经验，但对钢丝绳传动的大多数研究都是以整个系统为研究对象，而不是针对研究钢丝绳传动本体在设计中要如何选取参数，而且大多也没有提供文献资料来为钢丝绳传动的参数选取提供理论依据。总之，目前国内外对钢丝绳传动的应用较为丰富，但理论研究不够深入、系统，而线管钢丝绳的传动性能及运动控制的研究对线管钢丝绳传动系统在康复机器人领域的应用具有重要价值。1.4线管钢丝绳传动特性研究现状目前，国内外的一些学者对线管钢丝绳的传动性能进行了较为深入的研究。日本学者Okada在设计OkadaHand时对线管钢丝绳的传动特性进行理论分析，考虑了管线之间的摩擦力对其传动特性的影响，忽略了钢丝绳的柔性[9]。日本学者MakotoKaneko基于Coulomb摩擦模型建立了线管钢丝绳传动特性静态模型，并通过仿真、实验验证了该模型的正确性，并在单个回转关节传动系统（由两根线管钢丝绳组成）的传动特性[10]方面取得了一定研究成果。意大利博洛尼亚大学的学者GPalli采用Dahl摩擦模型取代了Coulomb摩擦[11]，改进了用于线管钢丝绳传动仿真的力学模型，得到了与实验结果更加一致的线管钢丝绳传动特性曲线。美国普渡大学的VarunAgrawal等基于静态模型对由两根线管钢丝绳组成的回转关节的传动系统的传动特性[12]进行了研究。东南大学的王兴东教授等人建立了空间任意曲线状套索力和位移传动特性的静态模型，结合LuGre\n动态摩擦模型仿真，得出线管钢丝绳传动的死区、迟滞、方向依赖性等非线性特性与套索接触面间的摩擦系数、套索曲线全曲率及绳索等效弹性系数有关，与曲线挠率、全曲率半径、传动速度等无关[13]。孙正龙、王铮、SooJayPhee等人重点研究了通过形状补偿的方式降低外界扰动引起传动位置变化对钢丝绳位移输出的影响。实验时钢丝绳弯曲成半圆弧状和弯成半圆弧状但中间多缠绕一圈（形状补偿）两种情况进行，表明结果通过形状补偿降低了钢丝绳的位置变化的可能性，但系统传动效率相应降低[14]。1.5康复机器人发展现状针对偏瘫上肢的重复功能训练，1991年MIT设计完成了第一台上肢康复训练机器人系统MIT-MANUS0，如图1-4所示，该设备采用电机驱动的五连杆机构，末端阻抗较小，利用阻抗控制实现训练的安全性、稳定性和柔顺性，用于病人肩、肘关节的复合运动训练。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，并进行了初步的临床实验。与一般工业机器人不同，MIT-MANUS尽管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，但不具有穿戴性，主要针对患者手臂（肩、肘、腕关节）的康复训练。Stanford大学在2000年推出了帮助末端患完成直线轨迹的机器人——THEARMGUIDE(如图1-5所示)和镜像运动驱动——MIME(如图1-6所示)型手臂康复训练机器人样机（美国专利）。图1-5THEARMGUIDE上肢康复机器图1-6MIME型手臂康复训练机器人样机美国TobiasNef、RobertRiener研制的手臂康复机器人——ARMin（如图1-7所示）。其采用不完全外骨骼结构，使得肩部的安装误差不会给人的手臂带来压力。机器人有六个自由度，配有力传感器和位移传感器，安全性高，提供四种控制模式，分别为：预记录轨迹模式、指定运动治疗模式、示教模式、患者主动力模式0。\n此外关于上肢康复训练机器人的报道还有：华盛顿大学设计的7DOF上肢外骨架装置（如图1-8所示）。结合人机工程学，运用开放式人机界面，人性化的设计，具有低惯性小摩擦率，适当的重量功率比率，对病患有主动、被动、半主动的训练模式0。图1-7ARMin手臂康复机器人图1-87DOF上肢外骨架装置清华大学任宇鹏等00在末端牵引上肢康复机器人控制中，采用了被动模式、主动模式、阻抗模式、自由模式及扰动模式，并提出了辅助直线、辅助圆的速度场算法和直线运动的力场算法训练策略，还对脑机接口(BCI，BrainComputerInterface)进行了研究，并在机械假肢上取得成功。哈尔滨工业大学王东岩等000研制了由5个电机驱动的5DOF外骨骼式康复机器人，并给出了该模型的运动学正逆解求解模型及工作空间，该机器人可以对患者上肢进行主动、被动和辅助运动这三种康复运动，此外，还通过提取并识别健康一侧上肢的表面肌电信号，控制患肢运动。哈尔滨工程大学张立勋等00研制了由3个电机驱动的3D0F末端牵引式康复机器人，该康复机器人主要提供关节运动训练及手臂肌力训练两种康复运动模式，分别采用PID控制与阻抗控制，并采用dsPACE仿真平台进行半仿真。台湾国立成功大学MingshaungJu等00在由2台直流电机驱动的3DOF末端牵式引上肢康复机器人中，采用模糊控制算法对康复机器人进行力位混合控制，在对康复机器人进行轨迹控制的同时，在运动方向的法向进行力控。针对康复机器人设计要求中的运动柔顺性和使用安全性，华中科技大学的江先志等人0在研究康复机器人驱动方式时提出了气动肌肉驱动的优势，同时设计出采用配有线管的钢丝绳传动来实现将驱动装置与执行机构的分离，有效提高了机器人的工作效率，也使执行机构的设计可利用空间更加充足。康复机器人传动系统应用趋势依据上述上肢康复机器人发展情况可知，康复训练机器人主要由末端牵引式向外骨骼穿戴式发展，由电机驱动向气动驱动或气动肌肉驱动发展，因而系统的传动方式由电机带动连杆，电机带动末端牵引到气动驱动或气动肌肉驱动带动钢丝绳传动机构发展，以便驱动机构和执行机构分离，使外骨骼穿戴式康复机器人更加轻便灵活，保证患者使用的安全性与舒适性。\n由于我国对康复机器人的研究起步较晚，人们对自主研发的医疗产品还不够信任，现阶段投入实际使用的大多仍为进口产品。发展科技提高产品可靠性的同时如何快速加强国民对自主研发产品的信任度是未来自主研发产品能否快速走向市场的关键000。从近年的发展看，美国的著名大学如MIT，Stanford，Northwestern等对该领域的研究十分重视，并居于世界领先地位。国内研究基础及对该领域的了解和把握与国外科研机构的差距相差不大，但是研究经费投入严重不足。目前我国康复医学事业仍然处于起步阶段，而患者数量多、治疗师资源缺乏，发展康复训练医疗机器人系统更具实际意义。随着康复医疗机器人的研究和使用，有望简化医师与患者“一对一”的繁重治疗过程，推动残疾人“人人享有康复服务”这一目标的实现，提高残疾人的生活质量。因此，加快康复医疗训练机器人技术的研究有广泛的应用前景0。1.6主要研究内容线管钢丝绳传动是一种轴向刚度大，弯曲刚度小的挠性传动，具有噪声低、传动平稳、布置灵活、易于安装和维护等特点。经过查阅相关资料，学习相关理论，结合本研究室开发的新型6自由度外骨骼上肢康复机器人的特点，对该传动装置提出的需求，主要进行了以下几项研究工作：(1)线管钢丝绳传动性能分析对国内外线管钢丝绳传动技术研究成果进行分析总结。基于本组设计的适于上肢康复机器人的线管钢丝绳传动系统，对其传动性能进行研究。(2)线管钢丝绳传动空间位姿分析建立线管钢丝绳传动静态模型，分析套管与钢丝绳间相互作用关系。通过有限元法对套管传动空间位姿进行分析，总结线管钢丝绳传动时的布线方式。对套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和进行求解。(3)上肢康复机器人布线特性研究运用MATLAB对上肢康复机器人运动空间进行求解，并依据线管钢丝绳传动的布线方式，初步确定各关节处活动套管管长。通过有限元法对各关节处活动套管空间位姿进行分析，最终确定适于本上肢康复机器人的布线方式。(4)线管钢丝绳传动的传动特性测试与运动控制试验对线管钢丝绳用套管和钢丝绳进行选型与安装。搭建实验平台，测试本组设计的传动系统的摩擦系数。根据本组上肢康复机器人的运动特点，对传动系统中线管钢丝绳曲线的曲率半径对传动系统的影响进行实验。通过实验和仿真的方法对套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和进行求解。最后，采用不同的训练模式对上肢康复机器人进行运动控制试验，并对运动实验结果进行简要分析。\n第二章上肢康复机器人管线传动位姿分析根据外骨骼式康复机器人的空间设计要求布置套管，套管在机架上的相对运动量较小，一般不会发生干涉产生大的应力集中，而与关节相连的局部套管位姿可能发生大幅度的变化。此段局部套管定义为活动套管，其空间位姿一方面受到自身结构、材料的影响，另一方面因套管管长、两节点位置约束（如间距约束、自由度数约束、方位约束等）形成的套管空间位姿直接影响着线管传动系统的传递性能、使用寿命、传动可靠性等。2.1静态系统建模2.1.1上肢康复机器人柔性传动系统采用线管钢丝绳传动的方式结构简洁、布线灵活，该传动系统由含动力输入端、输出端及钢丝绳调线装置组成。根据这些要求本文提出了一种线管钢丝绳传动系统[28][32]，其机构示意图如图2-1所示。1.次级杆；2.锁线钉a；3.小转轮；4.钢丝绳；5.固线架；6.主级杆；7.线管；8.调线装置；9.管路分布；10.大转盘；11.锁线钉b;12.驱动轴；13.定位螺母；14.固定架；15.弹簧；16.调整螺母；17.调线钉图2-1上肢康复机器人柔性传动系统主级杆和次级杆铰接在一起构成关节，该线管钢丝绳传动系统包含有输入、输出端设计、紧线装置设计、调线装置设计及限位装置设计。输入输出端均可采用转盘带动钢丝绳实现动力的传递。\n钢丝绳包覆在转盘柱面的凹槽中，钢丝绳端部固定在转盘上，以便拉动钢丝绳带动转盘转动，进而驱动关节转动。该系统可以是力矩输入，也可以是直线动力输入。2.1.2系统圆弧段模型静态力学分析线管钢丝绳传动系统可视为一条连续性的空间曲线，可将其视为由若干近似连续圆弧与直线组成，如图2-1所示。图2-2（a）为线管钢丝绳传动第m圆弧段静力模型，其中、分别为第m圆弧段钢丝绳两端所受拉力，为圆弧段对应圆心角，为钢丝绳圆弧段轴线曲率半径；图2-2（b）为圆弧段线管i处钢丝绳微元弧受力简图，其中、分别为该微元两端所受拉力，、分别为套管于该钢丝绳微元弧上的法向压力和摩擦力，列其力平衡方程如下：(a)线管钢丝绳传动圆弧段模型\n(b)作用在钢丝绳上i处微元弧受力分析图2-2系统圆弧段模型静态力学模型示意图（2-1）由上式解得当微元足够小时，可略去高阶无穷小量，并将替换成等价无穷小量，由此可得(2-2)当微元无穷小，即、、，、无穷小，即可分别用dT、d代替，将上式代入摩擦公式,整理，得作用在第m段圆弧钢丝绳上的拉力为：(2-3)其中——圆弧段输入端拉力；——圆弧段输出端反力；——圆弧段对应圆心角；——套管与钢丝绳间的摩擦系数。若将第m圆弧段分成n等分微弧，则，第i处作用在套管微弧上正压力和摩擦力分别表示为(2-4)其中m=1，2，M。由公式(2-3)，其钢丝绳输出端拉力计算如下：故\n令，则(2-5)线管钢丝绳传动时，其传动特性应满足以下条件：即(2-6)其中，——承载力；实际应用中，分以下二种情况：(1)已知，求(2-7)(2)已知，求(2-8)由公式(2-3)可知，线管钢丝绳传动力特性与钢丝绳拉力、摩擦系数和套管圆弧段对应圆心角直接相关。而套管在线管钢丝绳传动系统中不但具有传动导向作用，其空间位姿决定着套管各圆弧段对应圆心角及φ的大小，决定着管线传动性能。在上肢康复机器人线管钢丝绳传动系统中，与康复上肢康复机器人相连处的局部套管会随着关节的空间运动而不断变化，即线管相关圆弧段对应圆心角的大小是变化的，这使得图2-1所示传动系统线管传动特性研究更为复杂。为此，我们将套管位姿作为研究的主要对象。2.2线管钢丝绳传动中套管位姿分析2.2.1套管的材料和结构对套管位姿的影响(1)无钢丝绳作用时套管位姿的变化在初步设计时，我们选用几种市面上常见且基本符合使用要求的套管，提取其材料（弹性模量和泊松比）和管径或其近似值作为仿真参量。通过位置约束（见表1），将套管弯曲到指定位置，模拟某个关节处的套管位姿（例如静止状态下上肢康复机器人肘关节和臂后某支点处），观察静止状态下套管空间位姿的变化和套管各处应力分布情况。综合仿真结果，初步选出符合要求的套管。依据《摩托和轻便摩托车操纵拉索套管》刚度试验规定截取管长L。运用ANSYS逐步加载位移载荷使套管节点到达指定位置，观察套管各处位移变化及应力分布。表2-1仿真时套管两节点A、B约束参数设定值\n组数123间距约束（mm）A（X,Y）B（X,Y）A（X,Y）B（X,Y）A（X,Y）B（X,Y）(0,0)(362,150)(0,0)(340,150)(0,0)(362,150)自由度约束全约束全约束全约束方向约束rotZArotZBrotZArotZBrotZArotZB090°090°0120°初选套管截面外径为5mm，内径为2mm，管长L=500mm的套管（弹性模量和泊松比值参见下表2-2，套管两节点分别为A点、B点。其中，两节点间距不同，约束方向相同时，仿真参数设置参见表2-1中第1组和第2组数据；两节点间距相同，约束方向不同时，仿真参数设置参见表1中第1组和第3组数据。其中A节点切线约束方向取值与x轴正方向夹角定义为转角rotZA，B节点切线约束方向取值与x轴正方向夹角定义为转角rotZB，仿真示意图和仿真结果如图2-3、图2-4所示。表2-2套管的材料参数值材料号材质弹性模量105MPa泊松比密度g/cm31天然橡胶0.000030.4950.932丁晴橡胶0.0.490.983硅橡胶0.0.480.984氟橡胶0.0.491.65(a)天然橡胶(b)丁晴橡胶(c)硅橡胶(d)氟橡胶图2-3不同材料下的空间位姿仿真\n(a)套管产生的最大应力(b)套管的最大位移变化量图2-4套管不同材料下的仿真结果选取管长L=500mm，进行同一材料不同管径套管位姿仿真（参见表2-3的硅橡胶模型，弹性模量和泊松比见参表2-2，套管两节点位置约束参见表2-1第1组约束参数），仿真结果见图2-5。表2-3某套管不同管径值单位：mm组数第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组第8组第9组外径456567789内径222333444\n(a)套管产生的最大应力(b)套管的最大位移变化量图2-5套管不同管径下的仿真结果4种材料中，当位移约束给定后，套管最大位移变化量均近似相同，但产生的最大应力相差较大，弹性模量小的材料产生的最大应力相对小些。9组不同管径中：内径相同而外径不同时，外径越小产生的最大应力越小；外径相同而内径不同时，产生的应力近似相同。可见，就常见管线用套管而言，当套管两端的位置约束给定后，套管的空间位姿即确定，与其套管材料和管径关系不大。在相同位姿下，套管应变近似相等，此时可选择满足强度要求且产生较小应力的材料为宜。在选取常见管线用套管管径时，以套管内径为基准，取较小外径为宜。(2)钢丝绳作用时套管空间位姿的变化由套管静力模型可知，在忽略自身重力时，套管主要受到钢丝绳切向摩擦力和法向压力的作用。通过实验及理论计算结果表明，套管两端约束及位置确定的情况下，在摩擦力和法向压力中，由于套管轴向刚度远远大于其弯曲刚度，故其法向压力对套管位姿影响是主要的，由此可将法向压力作为套管静止状态下仿真条件。满足与常规套管配合的钢丝绳种类较多（如表2-4中的钢丝绳），一般能够满足使用需求。现取上肢康复机器人某线管输入拉力=600N，摩擦力系数，L=500mm，根据公式3-4计算可得，每段圆弧上压力载荷呈指数分布，套管受径向分布压力作用示意图见图2-6。\n表2-4钢丝绳使用性能参数表钢丝规格钢丝直径最小破断拉力参考重量1.6NAT6×7+IWS1.6mm2.15KN1.20kg/100m图2-6套管受分布压力示意图由于康复机器人需求拉力相对较小，作用在套管上的正压力相对不大，对套管位姿影响实际并不显著（参见图2-7(c)），仅对套管应力及分布影响较明显（参见图2-7(a)、图2-7(b)）。故本文后续对套管位姿研究中忽略钢丝绳拉力对套管作用力影响。(a)套管自然状态下位姿(b)套管受压力载荷后位姿s(c)提取(a)(b)图上部分节点坐标示意图图2-7钢丝绳拉力对套管位姿的影响示意图\n2.2.2位置约束对活动套管空间位姿的影响在节点空间约束中，节点的方位约束能够体现约束自由度数，节点间距限制了管长大小。由2.2.1节可知，当套管位姿相同时，不同材料产生的应变近似相等，应力值有所不同，但应力分布趋势近似相同；当套管材料相同时，不同套管位姿产生的应变不同（即应力值有所不同），故应力分布趋势不相同。故本节选取某一种材料的套管作为研究对象，分别针对节点间距约束和节点方位约束对活动套管位姿特性进行分析，观察套管产生的应力分布情况。(1)位置约束方式1)节点间距约束取套管管长，弯曲成弧状（如图2-8所示），其中A、B间节点间距为，方位约束分别为rotZA、rotZB。当rotZA、rotZB值取定后，则节点两端的约束方向确定。设A点不动，B点可沿x轴向移动。当时，A、B两节点刚好处于直径半圆弧上。在范围，改变大小，即可观察套管上产生的最大应力及应力分布情况。图2-8套管间距变化示意图2)节点方位约束节点位移约束后，方位约束即转角约束有两种情况：①套管成对称分布的方位约束，如A节点转角rotZA依次为0°，30°，45°，60°，75°，90°，相应的B节点为转角rotZB分别为0°，-30°，-45°，-60°，-75°，-90°。②套管成非对称分布的方位约束,即A节点转角与B节点为转角绝对值不等情况。进行上述两种情况仿真，观察套管上产生的最大应力变化情况。套管材料为硅橡胶，套管截面外径为5mm，内径为2mm，管长L=500mm，两节点间距分别为460mm、440mm、420mm、400mm、380mm、360mm、340mm、318mm、300mm、280mm，A节点位置为（0,0），B节点位置参见表2-5，约束方向rotZA取值为0°，30°，45°，60°，75°，90°，rotZB取值为0°，-30°，-45°，-60°，-75°，-90°。定义转角差=rot|ZA|-|rotZB|。通过ANSYS仿真，节点约束方向确定下不同节点间距下套管产生的最大应力和节点间距确定下不同约束方向下产生的最大应力结果见表2-6。表2-5-aL=500mm下B节点参数(mm)设置\n组数第1组第2组第3组第4组第5组第6组(XB,YB)(0,260)(0,280)(0,300)(0,318)(0,340)(0,360)0.520.560.60.6360.680.72表2-5-bL=500mm下B节点参数(mm)设置组数第7组第8组第9组第10组第11组(XB,YB)(0,380)(0,400)(0,420)(0,440)(0,460)0.760.800.840.880.92表2-6-aL=500mm下的约束方向参数设置及仿真结果约束方向转角差最大应力值（Pa）rotZArotZB第1组第2组第3组第4组第5组第6组90°-90°048459434383835033620438025468390°-75°15°53138481384313238736354904515590°-60°30°58206532524831443947391203775290°-45°45°63467585335361149250441794047190°-30°60°68777638485892854555493634511790°-0°90°79200742336927064827594905484575°-75°045852417403757933698289792453475°-60°15°49655455514137237563328022840375°-45°30°53676495724541141625368923260475°-30°45°57786536894954645767410803681275°-0°75°65963618305765853887492114493260°-60°053229490704482040871360513144260°-45°15°57090529054866544695398133522560°-30°30°61064568885263348679438094250460°-0°60°69049648356057356677517704722745°-45°060770565615229448299434263876145°-30°15°64653604205602252083471564250445°-0°45°72446681906385259818548735022330°-30°068371641145980355771508594616230°-0°30°7604271715672556328558287535620°-0°0833767901574590704736547260703\n表2-6-bL=500mm下的约束方向参数设置及仿真结果约束方向转角差最大应力值（Pa）rotZArotZB第7组第8组第9组第10组第11组90°-90°0677018414290°-75°15°57307723859257690°-60°30°48061621128055990°-45°45°4095053328705349538790°-30°60°4239546271625558591390°-0°90°5078048565539257658975°-75°02715337168501266896275°-60°15°244742985341661583208712375°-45°30°284572570234378494947472875°-30°45°325992888128697426026549375°-0°75°406353648633128351405702660°-60°0265922150721442343325504060°-45°15°304452545820562266304469860°-30°30°345202961424659215453673760°-0°60°425413767032660278792832645°-45°0338192864323055168772079145°-30°15°376223246626911208491518645°-0°45°453604024734792288662254630°-30°0411903598230352240981683030°-0°30°48666434513785831666245570°-0°05572350412447563849731252(2)仿真结果分析1）定约束方向-不定节点间距下套管产生的最大应力分析方位约束即转角约束有两种情况：套管成对称分布的方位约束和套管成非对称分布的方位约束。①套管成对称分布的方位约束时（即|rotZA|=|rotZB|）套管两节点0°转角差（即|rotZA|=|rotZB|）方位约束时，此时套管成对称分布（见图2-9）。为直观获得套管最大应力的变化情况，取表2-6中|rotZA|=|rotZB|时五组最大应力值数据，绘制成图2-10和图2-11。(a)两节点转角|75°|(b)两节点转角|45°|(c)两节点转角|0°|图2-9套管对称分布平面位姿示意图\n图2-10套管对称分布时不同节点间距下的最大应力图2-11套管对称分布时不同方位约束下的最大应力在图2-11中，各连线为不同节点间距下套管在|0|°，|30|°，，|90|°节点转角下产生的最大应力变化趋势。从图2-10、图2-11可以看出，(a)套管0rot|ZA|45°范围内，相同转角下套管产生的最大应力随套管间距的增大呈线性减小趋势，相同套管间距下套管产生的最大应力随套管转角的增大而减小；在套管45°rot|ZA|90°时，相同转角下套管产生的最大应力随套管间距的增大呈先减小后增大趋势。(b)在套管0rot|ZA|60°范围内，套管产生的最大应力在近似相同的范围内变动。(c)当套管间距时，套管上最大应力变化分以下三种情况：a）第1组、第2组、第3组、第5组、第6组和第7组（即，）在rot|ZA|\n转角从0°转到75°过程中，套管的最大应力呈递减趋势，在75°到90°过程中呈递增趋势，六组套管的最小值产生均产生于rot|ZA|转角75°处；套管产生的最大应力值随着节点间距增大而减小。b）第8组、第9组（即时）在rot|ZA|转角从0°转到60°过程中，套管的最大应力呈递减趋势，在60°到90°过程中呈递增趋势，两组套管的最小值产生均产生于rot|ZA|转角60°处；套管产生的最大应力值随着节点间距增大而减小。c）第10组（即时）在rot|ZA|转角从0°转到45°过程中，套管的最大应力呈递减趋势，在45°到90°过程中呈递增趋势，套管的最小值产生于rot|ZA|转角45°处。d）第11组（即时）在rot|ZA|转角从0°转到30°过程中，套管的最大应力呈递减趋势，在30°到90°过程中呈递增趋势，套管的最小值产生于rot|ZA|转角30°处。(d)在rot|ZA|转角从0°转到90°过程中，第4组套管（，）的最大应力呈递减趋势，其最小值产生于90°转角，即套管呈半圆弧状态时。(e)在rot|ZA|转角90°，当时，产生的最大应力值最小；当且逐渐增大时或当且逐渐减小时套管产生的最大应力均成递增趋势，且产生的最大应力变化趋势大于产生的最大应力变化趋势。(f)5组套管的最大应力的最小值产生于两节点间间距最大的第11组套管。因此，采取指定约束方位、套管对称方式进行布线时采取的方式总结如下：(a)当节点方位约束90°转角时，节点间距保持在范围内为宜，且套管间距时最好。(b)套管间距时，节点方位约束曲取值时采用套管节点间距越大rot|ZA|转角越小亦套管节点间距越小rot|ZA|转角大的方式选取，rot|ZA|转角最大值尽量小于75°转角，且节点间距尽量保持在范围内为宜。②套管成非对称分布的方位约束套管两节点为非0°转角差（即|rotZA||rotZB|）方位约束时，此时套管成非对称分布。图2-12为转角差为15°时套管的空间位姿。为直观获得套管最大应力的变化情况，取表2-6中转角差为15°，30°，45°，60°的各最大应力值数据，绘制成图2-13。(a)rotZA=45°(b)rotZA=60°(c)rotZA=75°图2-12=280mm时转角差为15°套管位姿\n(a)(b)(c)\n(d)图2-13套管非对称分布时不同节点间距下的最大应力从图2-13可以看出，方位约束rotZA60°时，套管产生的最大应力随套管随着套管节点间距的增大先减小后增大。其余情况下，在节点约束确定，相同的转角差条件下，套管产生的最大应力均随着套管节点间距的增大呈线性减小趋势。综上，在不同的转角差下，rotZA在60°附近套管产生的最大应力较小。因此，套管位姿呈非对称姿态时，尽量使节点处最大转角rotZA60°，套管布线时套管节点间距选取方式见表2-7。表2-7转角差15°30°45°60°0.840.880.80~0.840.88~0.92当转角差确定后，可参考表2-7选取适当的套管节点间距进行套管布线。2）定节点间距-不定约束方向下套管产生的最大应力分析(a)\n(b)(c)(d)(e)图2-14套管不同方位约束下的最大应力\n从图2-14中可以看出，①当rotZA=30°时，11组套管产生的最大应力随转角差的增大而增大；rotZA=45°时，第1组到第10组套管产生的最大应力随转角的增大差而增大，第11组则为随着转角差的增大而减小；rotZA=60°时，第1组到第9组套管产生的最大应力随转角的增大差而增大，第10组为随着转角差的增大先减小后增大，到第11组则为随着转角差的增大而减小；rotZA=75°时，第1组到第6组套管产生的最大应力随转角的增大差而增大，第7组到第9组为随着转角差的增大先减小后增大，第10组到第11组则为随着转角差的增大而减小；rotZA=90°时，第1组到第4组套管产生的最大应力随转角差的增大而增大，第5组到第7组则为随着转角差的增大先减小后增大，第8组到第11组则为随着转角差的增大而减小。②当rotZA=90°时，时套管产生的最大应力随着转角差的增大呈减小趋势；时套管产生的最大应力随着转角差的增大而增大。当rotZA=30°时，套管产生的最大应力均随着转角差的增大而增大。当rotZA在(30°,90°)内时，时套管产生的最大应力随转角差的增大而增大，而套管产生的最大应力由随着转角差的增大而减小的变化趋势会随着rotZA的减小逐渐转为套管产生的最大应力随着转角差的增大而减小的变化趋势。综上，在不同的最大转角rotZA下，套管布线时套管节点间距选取方式见表2-8。表2-8rotZA30°45°60°75°90°0.920.88~0.920.840.72~0.760.636~0.72当转角rotZA确定后，可参考表2-8选取适当的套管节点间距进行套管布线。3）套管两节点只有位移约束而无转动方位约束此时，套管空间位姿见图2-15，最大应力仿真结果见表2-9。(a)=280mm(b)=318mm(c)=360mm图2-15无转动方位约束时套管位姿表2-9无转动方位约束下的最大应力值仿真结果(单位：Pa)组数第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组第8组第9组第10组第11组最大应力4159839410372023517932644302462770125143222941917515523\n套管空间位姿在无转动方位约束时为对称分布，其最大应力值通过和表2-9中各转角下最大应力值对比可知，套管节点处无转动方位约束其应力分布和节点转角75°附近。提取表2-6中rot|ZA|=rot|ZB|部分数据，绘制成图2-16所示折线图。图2-16套管两节点无转动方位约束时的最大应力值通过图2-16中可知套管两节点无转动方位约束时的最大应力值分布情况为随着套管节点间距的增大呈线性减小趋势。在图2-12中我们可以比较清晰的看出，除去第10组和第11组，当节点转角rotZA值在（30°,75°）范围内变化时，套管产生的最大应力呈近似线性减小趋势。对比图2-16中套管两节点无转动方位约束时的最大应力值分布，可推算套管在无转动方位约束下，当时，两节点转角在75°附近；当时，两节点转角会在（30°，75°）区间内，其变化趋势为随着套管节点间距的增大节点转角逐渐减小。综上，套管两节点无转动方位约束时，套管不同节点间距下节点转角rotZA值见表2-10。表2-10-a0.520.560.600.6360.680.72rotZA75°75°75°75°60°~75°60°~75°表2-10-b\n0.720.760.800.940.880.92rotZA60°~75°60°~75°45°~60°45°~45°30°~45°30°2.2.3空间位置对套管应力分布状态的影响套管呈空间曲线分布时，可将套管空间曲线分割成若干个螺旋单元，每个螺旋单元空间位姿由节点约束方向、约束方式及单元套管长决定。通过改变以上参量，分析这些参数对套管应力分布状态的影响。(1)管长对套管应力分布状态的影响取不同的管长，采用单螺距（螺距为管长的1/2），两端对齐，节点转角差0°，观察套管上产生的最大应力及应力分布情况。套管材料为硅橡胶，套管截面外径为5mm，内径为2mm，管长L见表2-11，节点转角差0°（定义：转角差=rot|ZA|-rot|ZB|）、夹角和180°（定义：夹角和=rot|ZA|+rot|ZB|），两端对齐（仿真见图2-17，结果见表2-12）。(a)俯视图(b)前视图(c)侧视图图2-17不定管长-单螺距图表2-11套管管长L值组数第1组第2组第3组第4组第5组管长（mm）300400500600700表2-12不定管长-单螺距-定方位约束仿真结果组数螺距S=L/2（mm）最大应力最大应力分布情况第1组150两节点附近第2组20089498两节点附近第3组25071536两节点附近第4组30059671两节点附近第5组35051210两节点附近可见，最大应力集中在两节点附近，逐渐向中部减小；套管产生的最大应力随管长的增长而减小。(2)螺距对套管应力分布状态的影响取一定管长L（参见表2-11），将螺距S定为3/4L、1/2L及1/4L（见表2-13），两端对齐，节点转角差0°、夹角和180°，观察套管上产生的最大应力及应力分布情况（仿真见图2-18，结果见表2-14）。\n表2-13定管长-不定螺距-定方位约束仿真螺距组数3/4L(mm)1/2管长(mm)1/4管长(mm)1225150752300200100337525012544503001505525350175(a)1/4管长螺距(b)1/2管长螺距(c)3/4管长螺距图2-18套管单螺距-不定螺距侧视图图通过仿真，可知五组套管的应力分布情况如下：对于第1组1/4管长螺距时，由两端逐步扩展到套管内部中部，至3/4管长螺距时产生于两端；第2组1/4管长螺距时，由两端逐步扩展到套管内部中部，至3/4管长螺距时产生于两端；第3组1/4管长螺距时，由两端逐步扩展到套管内部中部，至3/4管长螺距时产生于两端；第4组1/4管长螺距时，由两端逐步扩展到套管内部中部，至3/4管长螺距时产生于两端；第5组1/4管长螺距时，由两端逐步扩展到套管内部中部，至3/4管长螺距时产生于两端。表2-14定管长不定螺距最大应力分布情况组数螺距最大应力（Pa）第1组第2组第3组第4组第5组3/4管长9257277195662831/2管长894987153659671512101/4管长83605669465585947940\n图2-19定管长不定螺距最大应力分布情况通过图2-19可见，相同管长单倍螺距，产生的最大应力随螺距增大而增大，最大应力增长速度增快；不同管长相同螺距产生的最大应力不同，随管长增大而减小，且减小趋势逐渐变缓。适当增加单倍螺距管长，相同管长下适当减小螺距，可使套管产生较小的最大应力。(3)方位约束对套管应力分布状态的影响取一定管长L（参见表2-11第1-4组），采用单螺距S（定义S=L/2），两端对齐，转角差为0，节点夹角和分别取60°，90°，120°，180°，观察套管上产生的最大应力及应力分布情况(仿真见图2-20，结果见表2-15)。图2-20为套管位姿俯视图。(a)60°夹角和(b)90°夹角和(c)120°夹角和(d)180°夹角和图2-20不同节点夹角和下的套管应力分布图通过仿真，可知五组套管的应力分布情况如下：第1组至120°时最大应力分布在套管中部附近弯曲外侧，两端应力最小，至180°时分布在端部弯曲外侧；第2组至90°时最大应力分布在套管中部弯曲内侧，向两端扩展，至120°后已经分布在端部弯曲外侧；第3组至60°时最大应力分布在套管中部弯曲内侧，向两端扩展，至90°后已经分布在端部弯曲内侧；第4组至60°时最大应力已遍布整个套管弯曲内侧，90°时已经分布在端部附近弯曲内侧。表2-15定管长-单螺距-不定方位约束仿真最大应力（Pa）第1组第2组第3组第4组60°夹角和74145456953029190°夹角和545654806548270120°夹角和84662774727350570214180°夹角和963168475077294可见，套管弯成单倍螺距时，最大应力点随套管两节点的夹角的增大而逐渐由套管中部向端部扩展，到达一定角度后，只产生于端部；当最大应力产生于套管内部时，最大应力随端部夹角的增大而减小；当逐渐产生于端部时随端部夹角的增大而增大；相同端部夹角下，随着管长的增加，最大应力逐渐减小。\n图2-21定管长-单螺距-不定方位约束仿真2.3套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和的求解由2.1.2节系统静态力学模型可知，套管位姿曲线各单元近似圆弧段对应圆心角之和是线管钢丝绳传动特性的主要影响因素之一。本节介绍一种求解套管位姿曲线各单元近似圆弧段对应圆心角之和的方法。2.3.1套管曲率半径-最大应力关系套管位姿曲线各单元圆弧段对应圆心角之和与套管曲率半径的关系如下：(2-9)其中\n图2-22某套管曲率半径(R)-最大应力(S)关系示意图当套管间距时，套管各处曲率近似相等套管应力分布较为均匀。选取曲率半径从10mm-1000mm不等的套管进行仿真，求取套管不同曲率下的应力分布。通过MATLAB样条插值和拟合，得套管曲率半径(R)-最大应力(S)关系（图2-20）（求解过程参见2.3.2）。当套管长度确定后，便可求出套管位姿曲线各单元近似圆弧段对应圆心角之和。2.3.2套管曲线圆弧段对应圆心角之和的求解假定套管两节点沿轴向固定在二连杆两端并围绕转动关节转动，套管曲线圆弧段对应圆心角之和将随关节转角变化。已知关节转角，即可控制套管空间位姿在合理范围内变化。设二连杆在处铰接，A、B两点分别为局部活动套管两节点，为套管节点间距，二连杆夹角为，转角为（即）见图2-23。对套管模型进行套管位姿仿真，查找套管位姿曲线各单元近似圆弧段对应圆心角之和与关节转角之间的关系。图2-23套管节点在二连杆上的简化几何示意图节点间距的值为：\n(2-10)套管管长满足以下条件：（几何条件）；尽量使两节点间距。根据人体生理手臂生理结构可知，正常的人体手臂拥有7个自由度，肩关节3个，肘关节1个加上腕关节3个，这些关节对应的运动角度参见表2-16[33][40]。表2-16人体手臂各关节运动参考幅值运动关节名称关节运动角度(°)肩关节屈曲/伸展(Z3)0-180/0-50内收/外摆(Z2)0-45/0-180旋内/旋外(Z1)0-20/0-20肘关节伸展/屈曲(Z4)0-0/0-150腕关节伸展/屈曲(Z7)0-70/0-90旋内/旋外(Z5)0-90/0-90内收/外摆(Z6)0-25/0-55取表2-13中肘关节屈曲关节运动角度(0,150°)作为上肢康复机器人肘关节运动幅值。现将关节运动角度取为，使二连杆形成一闭合三角形。分别取==50mm、==60mm，则(1)当套管管长L满足（几何条件）时套管管长L应分别大于等于100mm、120mm。(2)当套管管长L满足尽量使两节点间距。经计算，可得取值范围分别为[13,97]、[16,116]。故套管管长L应分别满足、。结合条件(1)、(2)的结果，可知，套管管长取值范围为[100,152]、[120,182]。取值范围分别为[64,97]、[76,116]。(3)当满足尽量使两节点间距时结合变化范围，取最小值为宜。故取值分别为64mm、76mm。故，套管管长分别为100mm、120mm。套管节点处沿二连杆轴向方位约束，围绕二连杆转动关节转动的套管位姿仿真图，图2-24所示为管长=100mm。\n（a）关节转角15°（b）关节转角30°（c）关节转角45°（d）关节转角60°（e）关节转角75°（f）关节转角90°（g）关节转角105°（h）关节转角120°（i）关节转角135°（j）关节转角150°图2-24套管管长=100mm套管空间位姿变化通过MATLAB进行数据处理，得到套管位姿曲线各单元近似圆弧段对应圆心角之和与关节转角间的关系（见图2-25）。图2-25关节转角-套管对应圆心角之和关系\n由仿真结果知套管成对称位姿弯曲变化时，关节转角与套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和呈线性关系，且为正相关。通过对关节转角的测定，就能够得到某套管特定长度下的不同弯曲状态下的套管位姿曲线圆弧段对应圆心角之和；当节点间距变化时，应按使最小布线。当关节转到最大角度时值最大，故可取此时的代入公式2-7、公式2-8，作为设计时力的输入输出值，即：(2-11)(2-12)2.4小结本章建立了系统圆弧段模型静态力学分析，分析了影响线管钢丝绳传动空间位姿的主要因素，主要包括套管的材料和结构、位置约束（如间距约束、自由度数约束、方位约束等）等方面，在此基础上提出了套管布线的基本方式。并且提出了一种求解活动套管对应圆心角之和的方法。\n\n第三章上肢康复机器人布线特性研究为完成线管钢丝绳传动系统的布线方案的确定，本章节首先对上肢康复机器人执行机构分析，找到各关节运动空间，初步估测活动套管管长；然后将不同的套管管长按一定的布置方式放入ANSYS中进行仿真，套管空间位姿的初步估测；最后确定了不同关节处活动套管管长。3.1上肢康复机器人各关节运动空间3.1.1机构运动空间求解机器人工作空间的大小代表了机器人的活动范围，是衡量机器人工作能力重要的运动学指标。机器人工作空间定义：在结构限制下末端执行器能够达到的所有位置集合(在三维空间中)，该集合称为可达工作空间错误!未找到引用源。，可以视为关节空间变量与工作空间的映射，表示为式中，为工作空间，为广义关节变量，为关节空间。目前国内外对关节型机器人工作空间几何形状绘制的方法有：几何绘图法、解析法和数值法等[31][35-39]。蒙特卡洛法是一种简单、实用，几乎可以通用化的数值方法错误!未找到引用源。，此方法基于概率统计理论，对随机性问题进行仿真是该方法的基本特征。机器人的工作空间本质上不属于随机性问题，需构造一个合理的随机概率模型，将工作空间的解转化为统计参量。机器人末端参考点在基础坐标系中可表示为，其中，为参考点在基础坐标系中的位置向量；，为n维关节空间内的点向量。一般各关节有活动范围限制，即：采用集合的方法，将机器人的工作空间表示为：通过在关节空间内随机产生大量的关节空间点，并逐一映射至工作空间内，得到一定数量的末端位置随机点，即可统计计算出工作空间的边界。本文以rand(1)为0-1间的均匀分布的随机数。通过MATLAB软件采集30000个随机点后所生成的三维运动空间如下图5-1-a所示。二维运动空间分别选取XY平面，XZ平面和YZ平面，如图5-1-b，5-1-c，5-1-d所示，其中二维运动空间为选取第三坐标区间为时随机生成的末端位置点在该平面上的投影[41]。\n(a)三维运动空间示意(b)XY平面运动空间示意(c)XZ平面运动空间示意(d)YZ平面运动空间示意图3-1执行末端运动空间示意图通过以上方法可以获得如图3-1所示的执行机构运动空间图解。通过该方法可初步绘制出上肢康复机器人的运动空间，为上肢康复机器人上活动套管管长的初步估测确定提供了依据。3.1.2活动套管管长的确定先定义关节i处（）的极限位置为：在基础坐标系中，该关节点到基础坐标原点O的距离最远。令，本组设计的六自由度上肢康复机器人六自由度分布示意图见图3-2。\n1.滑动1；2.滑轮2；3.滑轮3；4.滑轮4；5.滑轮5；6.滑轮6图3-2六自由度上肢康复机器人机构方案简图我们将上肢康复机器人的空间位置转化为平面位置进行分析。套管一节点与关节处相连，套管另一节点固定在机架上，管长两端间距，为与的平面夹角。当为O点到机架所处平面的公法线时，取到最小值。结合3.2.2和3.3.2节套管管长满足的条件，即(a)当节点方位约束90°转角时，节点间距保持在范围内为宜，且套管间距时最好。(b)套管间距时，节点方位约束曲取值时采用套管节点间距越大rot|ZA|转角越小亦套管节点间距越小rot|ZA|转角大的方式选取，rot|ZA|转角最大值尽量小于75°转角，且节点间距尽量保持在范围内为宜。(c)（几何条件）。六自由度上肢外骨骼式康复机器人上肢康复机器人各关节转角幅度如下表3-1。表3-1上肢康复机器人各关节转角幅度腕关节和肘关节是上肢康复机器人上运动幅值范围最大的两处，故先求解两处关节的极限空间位置。(1)腕关节1)腕关节5rand(1)为0-1间的均匀分布的随机数。通过MATLAB软件分别对腕关节5采集3000个随机点生成不同关节出的三维运动空间，及此三维空间的二维空间投影。\n(a)连杆空间关系分布示意图(b)三维运动空间(c)XY平面运动空间示意(d)XZ平面运动空间示意(e)YZ平面运动空间示意图3-3腕关节5运动空间示意图将以上3000个点随意提出，随机取出五组距离基础坐标原点最远的点，分别计算其距离，并取其平均值作为值。现随意取五组满足肘关节位置的值，依次为：（424.4250，-270.6696，221.5866）、（484.7287，259.8044，-6.2859）、（508.0696，-210.4970，7.4987）、（441.6491，-35.1892，325.8953）、（513.1697，-128.4908，-150.4887）计算结果：。腕关节5运动空间求解程序代码如下所示：t3=300;t6=100;m5=250;%t3为上臂长，m5为下臂长，t6为腕关节长forN=1:3000e1=(40+140*rand(1))*pi/180;e2=(-110+40*rand(1))*pi/180;e3=(0+135*rand(1))*pi/180;e4=(-90+150*rand(1))*pi/180;e5=(0+180*rand(1))*pi/180;e6=(0+180*rand(1))*pi/180;A1=[cos(e1)0-sin(e1)0;sin(e1)0cos(e1)0;0-100;0001];A2=[cos(e2)0-sin(e2)0;sin(e2)0cos(e2)0;0-100;0001];A3=[cos(e3)0sin(e3)t3*cos(e3);sin(e3)0-cos(e3)t3*sin(e3);0100;0001];A4=[cos(e4)0-sin(e4)0;sin(e4)0cos(e4)0;0-10m5;0001];A5=[cos(e5)0sin(e5)0;sin(e5)0-cos(e5)0;0100;0001];T5=A1*A2*A3*A4*A5;\nP(1:3,N)=T5(1:3,4);ifT5(1,4)>=-1500&&T5(1,4)<=1500&&T5(3,4)>=-2000&&T5(3,4)<=1000plot3(T5(2,4),T5(2,4),T5(3,4),'o');xlabel('X');ylabel('Y');zlabel('Z');holdonendN=N+1;ends=zeros(1,N);fork=1:Ns(1,k)=x(1,k)^2+y(1,k)^2+z(1,k)^2;k=k+1;end[m,n]=find(s==max(max(s)))程序中算法公式的求解过程请参照文献[41]中P32-P41相关内容。以上五组数据，均在以为原点，为半径的球面上。在腕关节5的XY平面图、XZ平面图和YZ平面图中五组数据的分布说明，在很多区域能够达到极限位置，验证了该运算算法的可行性。腕关节5上B点到点的距离：代入数据，得即上肢康复机器人伸直时最大。套管另一节点在机架上，管长两端间距，为与的平面夹角。当为O点到机架所处平面的公法线时，取到最小值。结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件，即(a)套管间距时，节点方位约束曲取值时采用套管节点间距越大rot|ZA|转角越小亦套管节点间距越小rot|ZA|转角大的方式选取，rot|ZA|转角最大值尽量小于75°转角，且节点间距尽量保持在L>范围内为宜。(b)（几何条件）。2)腕关节4rand(1)为0-1间的均匀分布的随机数。通过MATLAB软件分别对腕关节4采集3000个随机点生成不同关节出的三维运动空间，及对此三维空间的二维空间投影。\n(a)三维运动空间(b)XY平面运动空间示意(c)XZ平面运动空间示意(d)YZ平面运动空间示意图3-4腕关节4运动空间示意图将以上3000个点随意提出，随机取出五组距离基础坐标原点最远的点，分别计算其距离，并取其平均值作为值。该关节及其它关节的运动空间求解均可参照腕关节4求解程序，在此不再赘述。现随意取五组肘关节位置点，依次为：(117.2001，268.4237，64.9065)、(257.6062，-153.6417，-5.7691)、(281.6814，-5.0538，103.1020)、(296.0069，48.1113，-8.0772)、(213.8746，203.9214，-51.7083)计算结果：。此结果表明简化图是正确的，但由于在上肢康复机器人上手腕处两关节在一处，故套管管长可取同一值。(2)肘关节rand(1)为0-1间的均匀分布的随机数。通过MATLAB软件分别对肘关节采集3000个随机点生成不同关节出的三维运动空间，及此三维空间的二维空间投影。(a)三维运动空间\n(b)XY平面运动空间示意(c)XZ平面运动空间示意(d)YZ平面运动空间示意图3-5肘关节运动空间示意图将以上3000个点随意提出，随机取出五组距离基础坐标原点最远的点，分别计算其距离，并取其平均值作为值。现随意取五组满足肘关节位置的值，依次为：（263.6062，-122.4414，-74.2958）、（137.8912，266.3666，5.9046）、（262.3612，142.5325，111.8496）、（262.1077，-122.4652，79.3840）、（31.0751，82.3939，286.7849）。取。套管另一节点在机架M上，管长两端间距，为与的平面夹角。结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件，即(a)套管间距时，节点方位约束曲取值时采用套管节点间距越大rot|ZA|转角越小亦套管节点间距越小rot|ZA|转角大的方式选取，rot|ZA|转角最大值尽量小于75°转角，且节点间距尽量保持在L>范围内为宜。(b)（几何条件）。通过上述方法，即可得到任意关节在任意空间位姿下的套管管长。3.2套管活动段位姿分析本上肢康复机器人动系统采用套索传动，在套管主要活动区，即各关节运动区，套索会随手臂的摆动而运动。手臂运动轨迹决定了套管最小管长，套管长的选取与布置影响着手臂运动轨迹是否到位及可靠。快速找到各关节的极限位置，快速估算套管活动段管长范围。6自由度外骨骼式上肢康复机器人各关节分布为，肩关节3自由度，肘关节1自由度，腕关节2自由度。不管是手臂单自由度运动，还是多自由度复合运动，活动段套管连接方式主要有：①一端与上肢康复机器人相连，另一侧直接与机架相连；②一侧与机架相连，活动套管某部位与上肢康复机器人近机架处相连，再与各关节滑轮处相连等。无论哪种连接方式，均需要找到的以机架上的为参考点的各关节最远离点以确定活动套管最短管长。\n图3-6三自由度肩关节三维模型示意图针对所设计的6自由度外骨骼式上肢康复机器人，样机中圆弧导轨半径为250mm，圆弧导轨到肩关节的距离为75mm，肩关节上两关节在球半径为250mm的球面上，上臂为300mm，为250mm，其中前臂由前臂连杆和手腕滑块两部分组成，手部摆杆=70mm其模型图如下：首先对图3-6三自由度肩关节三维模型各关节进行分析。①肩关节肩关节处的机构主要由肩部滑块，圆弧导轨及肩部连杆组成。其中，在圆弧导轨的前后端各装有一个滑轮，定为导轨滑轮1、导轨滑轮2，将此滑动定为滑动1。肩部滑块与肩部连杆连接处铰接，铰接处为滑轮2。肩部连杆与上臂连杆连接处为铰接，铰接处为滑轮3。因此，肩关节处有四个滑轮和一个滑动。②肘关节由上臂连杆与前臂连杆连接处铰接而成，铰接处为滑轮4。③腕关节主要由手腕滑块及手部摆杆组成。在手腕滑块处有一滑轮，为滑轮5，用于手腕旋内/旋外，手腕滑块与手部摆杆间铰接，铰接处为滑轮6。每个滑轮处均有两段套管，在保证滑轮的尺寸相对小，机架固定端相同或接近，两固定端将套管相同的条件下，在运动过程中套管的位姿变化相近。因此，仿真时我们可以通过分析其中的一根套管找到套管的相关参数。在机架固定端汇于一处，或分开。取机架与圆弧导轨后端的距离=100mm，套管端部直线部分长度=20mm。肩关节的运动主要肩关节旋内/旋外、肩关节外展/内收及肩关节伸展/屈曲三种。关节转角幅度参见表3-1。现对肩关节运动时引起不同关节处套管空间位姿的分析。(1)肩关节旋内/旋外时在肩关节内旋/外旋20°时运动极限位置示意图见图3-7。\n(a)肩关节内旋20°(b)肩关节外旋20°(c)滑轮3运动轨迹示意图图3-7肩关节外旋/内旋运动极限位置示意图肩关节内旋/外旋时以轴2为中心轴转动，此时，滑轮2位置不变，滑块处于导轨中间位置，滑轮3围绕轴2转动。肩关节内旋/外旋20°时，滑轮3达到极限位置。滑轮4、滑轮5及滑轮6的轨迹为以轴3为中心轴的圆弧，但由于转动弧度较小，先不做考虑。滑轮3位置轨迹在以基础坐标原点为中心2轴为法线的平面内，以滑轮3到中心轴2距离为半径的圆弧上，若A点为肩关节内/外旋20°位置，即与机架最远点，为滑轮3与机架的最远距离，为滑轮3与机架M的最近距离，其中=100mm，。滑轮3与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：=131mm因，经计算可得取值范围分别为[100,131]。滑轮3处套管方位约束始终保持为转角90°，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(a)，尽量使两节点间距满足。取套管管长中间值：=182mm=182+220=222mm肩关节从外旋20°到内旋20°过程中，滑轮3处套管位姿见图3-8，套管发生一定扭转，套管最大应力发生变化，且最大应力的最小值产生于节点间距最大时。最大应力值见表3-2。(a)节点间距最大时(b)节点间距最小时(c)节点间距最大时图3-8滑轮3移动时两节点间套管位姿侧视图表3-2滑轮3内外旋套管最大应力值\n滑轮3位置节点间距最大(内旋20°)节点间距最小(中部)节点间距最大(外旋20°)最大应力（Pa）7739977399(2)肩关节外展/内收时肩关节內展/外收极限位置示意图见图3-9。肩关节内收45°到外展90°过程中，滑块1处于导轨中间位置不动，滑轮3的转动，带动肘关节、腕关节围绕轴3运动，进而牵动关节处套管运动（见图3-9-a，3-9-b）。肩关节外展90°到外展180°过程中，滑轮3的转动，带动滑块1由导轨中间位置移动到后侧，滑轮2、滑轮3围绕1轴运动，肘关节、腕关节围绕2轴运动，进而牵动关节处套管运动（见图3-9-c）。(a)肩关节内收45°(b)肩关节外展90°(c)肩关节前屈180°或外展180°图3-9肩关节內展/外收极限位置示意图滑轮2①导轨滑轮1、2接近导轨侧通过钢丝绳相连使钢丝绳处于导轨滑道中，并将钢丝绳穿过滑块，带动滑块沿导轨移动，导轨滑轮1、2的另一端分别与气缸相连。由于导轨固定不动，其上面的套管也不产生运动，导轨上套管布置轨迹见图3-10。图3-10滑轮2运动轨迹示意图图3-11导轨上套管布置轨迹①滑轮2的运动滑轮2随肩关节外展90°至180°过程的运动轨迹见图3-11。滑轮2从中部滑至后部，围绕中心轴1，以半径的圆弧导轨轨迹上带动上面的套管移动。滑轮2与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：得，=430mm滑轮2处套管方位约束为转角90°，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(a)，尽量使两节点间距满足。\n取套管管长中间值：；=416+2*20=456mm机架与滑轮2处套管均为全约束，滑轮2随肩关节外展90°至180°套管位姿变化见图3-12。坐标原点为固定机架位置，末端为滑轮2处套管位置。由图3-12，随着滑轮2沿导轨圆弧从顶部移动到底部，套管逐渐发生很大变形，产生的最大应力逐渐增加（见表3-3）。整段套管在同一平面内且未发生扭转。最小曲率半径产生于距离机架最近处（图3-12-c）。（a）肩关节外展90°（b）肩关节外展135°（c）肩关节外展180°图3-12滑轮2从肩关节外展90°至180°套管位姿变化表3-3滑轮2从肩关节外展90°至180°套管最大应力值滑轮2位置肩关节外展90°肩关节外展135°肩关节外展180°最大应力5696890563①滑轮3的运动滑轮3随肩关节外展90°至180°过程的运动轨迹见图3-13。图3-13滑轮3运动轨迹示意图机架处套管的约束方向为竖直向上，滑轮3处套管节点约束方向沿滑轮轨迹切线逆时针方向。滑轮3从肩关节外展90°至180°套管位姿变化见图3-14。滑轮3处套管方位约束为转角90°，结合3.2.2和3.3.2节套管管长满足的条件(a)。但从图4-14-a，4-14-b中可见，当滑轮3运动时局部套管有两处明显圆弧，故计算套管长度时需分别讨论。由于此处滑轮的运动轨迹范围较小，为方便套管计算，以滑轮3轨迹最上端作为分界点。=2*+=2*250+=657mm==657+2*20=697mm机架为全约束，且约束方向竖直向上。套管由肩关节外展90°至180°套管位姿变化示意图见4-14。\n(a)肩关节外展90°(b)肩关节外展135°(c)肩关节外展180°图3-14滑轮3从肩关节外展90°至180°套管位姿变化固定端在机架上，滑轮3运动轨迹沿滑动导轨由后侧划至底部，套管变形产生于同一平面上。当滑轮3滑至底部时，最大应力逐渐减小。表3-4滑轮3从肩关节外展90°至180°套管最大应力值滑轮3位置肩关节外展90°肩关节外展135°肩关节外展180°最大应力（Pa）522526174264092①滑轮4的运动滑轮4随肩关节外展90°到内收45°过程中运动轨迹示意图见3-15。图3-15滑轮4运动轨迹示意图滑轮4与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：滑轮4处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=650mm（几何条件）=724mm取尽量使两节点间距，取=724mm=724+2*20=764mm(a)肩关节外展90°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节内收45°\n图3-16滑轮4从肩关节外展90°到内收45°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-5，其中最大应力产生于上肢康复机器人下垂到肩关节内收45°过程中。表3-5滑轮4从肩关节外展90°到内收45°套管最大应力值滑轮位置滑轮4外展90°滑轮4下垂滑轮4内收45°套管最大应力（Pa）3371889095①滑轮5的运动滑轮5随肩关节外展90°到内收45°过程中运动轨迹见图3-17。图4-17滑轮5运动轨迹示意图滑轮5与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：得=757mm滑轮4处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=900mm（几何条件）=1189mm取尽量使两节点间距，取=1189mm=1189+2*20=1229mm滑轮5从肩关节外展90°到内收45°套管位姿的变化见图3-18。（a）肩关节外展90°（b）上肢康复机器人下垂（c）肩关节内收45°图3-18滑轮5从肩关节外展90°到内收45°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-6，其中最大应力产生于上肢康复机器人下垂到肩关节内收45°过程中。表3-6滑轮5从肩关节外展90°到内收45°套管最大应力值\n滑轮位置肩关节外展90°上肢康复机器人下垂肩关节内收45°套管最大应力（Pa）357625990079284①滑轮6的运动滑轮6随肩关节外展90°到内收45°过程运动轨迹示意图见图3-19图3-19滑轮6运动轨迹示意图滑轮6与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：得滑轮6处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=1000mm（几何条件）取尽量使两节点间距，取=1297+2*20=1337mm滑轮6从肩关节外展90°到内收45°套管位姿的变化见图3-20。(a)肩关节外展90°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节内收45°图3-20滑轮6从肩关节外展90°到内收45°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-7，其中最大应力产生于上肢康复机器人下垂到肩关节内收45°过程中。表3-7滑轮6从肩关节外展90°到内收45°套管最大应力值滑轮位置肩关节外展90°上肢康复机器人下垂肩关节内收45°套管最大应力(Pa)207084332163662\n(3)肩关节伸展/屈曲肩关节伸展/屈曲运动，主要由滑块1沿圆弧导轨运动产生的，实际幅值为，如图3-21所示。在滑块1的带动下，其余所有滑轮均围绕轴1转动，进而牵动关节处套管的运动。(a)肩关节后伸50°(b)肩关节前屈90°图3-21肩关节后伸/前屈运动极限位置示意图①滑轮2的运动滑轮2沿圆弧导轨从导轨前端滑至后端，其运动轨迹见图3-22。控制滑轮2的活动套管一端固定在机架上，另一端安装在滑轮2的前端。肩关节后伸50°时，滑轮2距离机架最远。肩关节前屈90°，滑轮2距离机架最近。为使套管不发生扭转，机架上套管的固定端与滑轮2转动轴在同一平面内。图3-22滑轮2运动轨迹示意图滑轮2与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：得滑轮2处套管方位约束为转角90°，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(a)，尽量使两节点间距满足。取套管管长中间值，即；=533+2*20=573mm滑轮2随肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化见图3-23。\n(a)肩关节后摆50°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节前伸90°图3-23滑轮2随肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-8，其中最大应力产生于节点间距最小位置处。表3-8滑轮2从肩关节后伸50°到前屈90°套管最大应力值滑轮位置后摆50°手臂下垂前伸90°套管最大应力（Pa）3093635971①滑轮3的运动滑轮3沿圆弧导轨从导轨上端滑至下端，其运动轨迹见图3-24。控制滑轮3的活动套管一端固定在机架上，另一端安装在滑轮3的前端。肩关节前屈90°，滑轮2距离机架最远。滑轮与机架的最近距离为S。为使套管不发生扭转，机架上套管的固定端与滑轮2转动轴在同一平面内。图3-24滑轮3运动轨迹示意图滑轮3与机架节点间的最大距离，局部活动端套管管长：得，滑轮3处套管方位约束为转角90°，结合3.2.2和3.3.2节套管管长满足的条件(a)，尽量使两节点间距满足。取套管管长中间值，即；=522+2*20=562mm滑轮3随肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化见图3-25。\n(a)肩关节后摆50°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节前伸90°图3-25滑轮3随肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-9，其中最大应力产生于节点间距最小位置处。表3-9滑轮3从肩关节后伸50°到前屈90°套管最大应力值滑轮位置后摆50°手臂下垂前伸90°套管最大应力（Pa）788547567279574①滑轮4运动滑轮4随肩关节后伸50°到前屈90°过程运动轨迹见图3-26。图3-26滑轮4运动轨迹示意图滑轮4与机架节点间的距离，局部活动端套管管长：得，，滑轮4处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=650mm（几何条件）取尽量使两节点间距，取=707+2*20=747mm滑轮4从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化见图3-27。\n(a)肩关节后摆50°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节前伸90°图3-27滑轮4从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-10，其中最大应力产生于肩关节后摆50°时。表3-10滑轮4从肩关节后伸50°到前屈90°套管最大应力值滑轮位置肩关节后摆50°上肢康复机器人下垂肩关节前伸90°套管最大应力（Pa）76096①滑轮5运动滑轮5随肩关节后伸50°到前屈90°过程运动轨迹见图3-28。图3-28滑轮5运动轨迹示意图得，（几何条件）；；尽量使两节点间距。滑轮4处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=800mm（几何条件）取尽量使两节点间距，取=1100+2*20=1140mm滑轮5从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化见图3-29。\n(a)后伸50°(b)手臂下垂(c)前屈90°图3-29滑轮5从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化表3-11滑轮5从肩关节后伸50°到前屈90°套管最大应力值滑轮位置后伸50°手臂下垂前伸90°套管最大应力（Pa）904928552538944①滑轮6运动滑轮6随肩关节后伸50°到前屈90°过程运动轨迹见图3-30。图3-30滑轮6运动轨迹示意图得，滑轮4处套管方向沿上臂方向，若在滑轮处固定，结合2.2.2和2.3.2节套管管长满足的条件(b)和(c)，即=1000mm（几何条件）取尽量使两节点间距，取=1257+2*20=1297mm滑轮6从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化见图3-31。\n(a)肩关节后摆50°(b)上肢康复机器人下垂(c)肩关节前伸90°图3-31滑轮6从肩关节后伸50°到前屈90°套管位姿的变化套管产生的最大应力值见表3-12，其中最大应力产生于肩关节后摆50°时。表3-12滑轮6从肩关节后伸50°到前屈90°套管最大应力值滑轮位置肩关节后摆50°上肢康复机器人下垂肩关节前伸90°套管最大应力（Pa）553694673317927(4)活动套管管长确定活动套管管长确定确定主要包括以下两方面：①最大应力较小；②套管管长。其中；。综上，初步选取：滑轮2处套管管长；滑轮3处套管管长；滑轮4处套管管长；滑轮5处套管管长；滑轮6处套管管长。3.3小结本章节完成了对上肢康复机器人执行机构各关节运动空间的分析，并初步估测出各关节处活动套管管长；通过仿真的方式对上肢康复机器人肩关节旋内/旋外、外展/内收、伸展/屈曲等运动时套管空间位姿进行初步估测；最后确定了不同关节处活动套管管长。\n第四章上肢康复机器人套管钢丝绳的选择和使用上肢康复机器人用钢丝绳线管钢丝绳传动是一种简单有效的挠性传动方式。其组成为套管、钢丝绳（单股或多股）和调线装置等。本章对套管、钢丝绳的正确选择和使用、材料选择、安装及维护，钢丝绳端部固定方式的选取等做了较为全面的介绍，并初步选出了满足上肢康复机器人用的套管和钢丝绳，依据套管适用条件对套管最小曲率半径进行了总结，为线管钢丝绳传动系统的结构参数设计提供了依据。4.1钢丝绳钢丝绳是把很多根直径为0.3～3mm的高强度碳素钢钢丝先拧成股，再把若干股围绕着绳芯拧成绳的。(1)钢丝绳的分类[42]①按绕捻方法不同可分为左同向捻、右同向捻、左交互捻、右交互捻四种。②按钢丝绳芯材料不同可分为麻芯、石棉芯和金属绳芯三种。③按钢丝表面处理不同又可分为光面和镀钵两种。④按钢丝绳股结构分类，又可分为点接触绳、线接触绳和面接触绳。(2)钢丝绳的材料选择钢丝绳的材料一般都用60~75钢。对涂塑钢丝绳的涂塑层材料可以用聚乙烯、聚酰胺（PA）尼龙等。(3)钢丝绳的使用和维护上肢康复机器人运动时对钢丝绳使用的强度较大，通过对钢丝绳进行有效的维护，保证传动安全可靠且有效的运行[43][44]①领取领取钢丝绳时，必须检查钢丝绳的合格证，以确保其机械性能、规格符合设计使用要求。②开卷与切断钢丝绳开卷时，应防止打结或扭曲；切断时应防止绳股散开的措施。③选择绳旋向根据绳槽侧面钢丝绳固定端位置，依据右手定则来判断钢丝绳在绳槽的旋向，手指指向绳槽的旋转方向，拇指的指向向左就是左旋，反之就是右旋。当钢丝绳是左旋时就要选用右捻向的钢丝绳，反之当钢丝绳是右旋对就选用左捻向的钢丝绳。④安装\n安装钢丝绳时，不应该在不洁净的地方拖拉，也不应该绕在其它物体上。应防止其划、磨、碾压和过度弯曲。⑤润滑钢丝绳应保持良好的润滑状态，以防止腐蚀。钢丝绳的润滑对钢丝绳的使用寿命影响很大，对钢丝绳进行系统润滑，可使钢丝绳寿命延长2～3倍。⑥检验要对钢丝绳经常地进行检验，就钢丝绳的可见部分进行观察，以防损坏和断丝，要留心钢丝绳的端部固定部位，套管端部的固定连接、钢丝绳端部固定部位、套管约束部位、处于往复运动状态的局部活动软管处的钢丝绳等，仔细检查固定装置预紧力是否适当，是否有大的磨损等。⑦清理更换线管钢丝绳传动时，钢丝绳的工作环境一般都比较清洁，较长时间后可清理一次。摩擦力的长期作用，钢丝绳局部会有较大磨损，容易产生塑性变形，所以要及时更换钢丝绳以保证传动可靠性。(4)钢丝绳的正确选用钢丝绳的种类很多，不同结构的钢丝绳适用于不同条件和场所。钢丝绳的理想结构应满足以下几项要求[45]：①钢丝绳和绳股捻制紧密；②钢丝绳受力时，各钢丝的受力均匀，钢丝间的接触应力小；③钢丝绳的编捻应力小；④耐弯曲、疲劳性能高；⑤金属断面系数大；⑥支撑表面大；⑦钢丝绳的表面和绳股间应有耐磨损的特性；⑧具有较高的耐腐蚀性能和耐热性能；⑨有良好的柔软性。选择钢丝绳时，按其使用条件和场所，选择最主要的性能。(5)选择正确结构类型的索芯[46]选择正确结构类型的索芯，主要考虑以下两点：①保证装配后强度大于拉脱力以及破断力；②保证安装和使用过程中弯曲半径不小于索芯的最小弯曲半径，否则容易导致失效。在选择康复机器人传动用钢丝绳时，以汽车拉索和摩托车拉索为借鉴，主要选用操纵钢丝绳和不锈钢丝绳两种。根据钢丝绳结构的不同，主要选择1×19和6×7+IWS两种钢丝绳。1×19钢丝绳的弹性伸长率比6×7+IWS\n钢丝绳的弹性伸长率小；在公称直径相同的前提下，1×19钢丝绳的最小破断拉力比6×7+IWS钢丝绳的最小破断拉力的值要大；但是1×19钢丝绳的柔软程度比6×7+IWS钢丝绳的柔软程度小；所以安全性能要求比较高一般选用1×19钢丝绳；要求柔软比较好一般选用6×7+IWS钢丝绳。4.2钢丝绳端部固定方式当钢丝绳直径较大时，可依照传统起重设备的钢丝绳端部固定方法来固定。具体方法有[47][48][49]：编结法、绳卡固定法、压套法、楔形固定法等（见图4-1）。(a)编结连接(b)绳卡固定(c)压套法(d)楔形固定法图4-1钢丝绳端部固定方式(1)编结连接钢丝绳编结连接长度不应小于钢丝绳直径的15倍，且不应小于300mm；长度为20~25倍钢丝绳直径的绳尾端绕过套环后，每个绳股依次穿插在绳的主芯中，与主绳编结在一起，并用细钢丝绳扎紧。直径15mm以下的钢丝绳，每股穿插次数不少于4，连接强度不小于75%钢丝绳破断拉力。(2)绳卡固定使用钢丝绳通用绳卡紧固绳端是一种简单方便的方法。如图4-1-b所示，钢丝绳绕过鸡心换套形成连接环，绳端部用绳卡固定。这种连接方式连接强度为80%~85%。用绳夹固定时，应注意绳卡的数量（见表4-1）、绳夹间距、绳夹方向和固定处的强度。表4-1用绳卡连接时得安全要求钢丝绳直径（mm）19-2728-3738-45绳夹数量（个）3456\n(3)压套法将钢丝绳绳尾与承载端套入铝合金套管内，用压力机压紧。套管的选取与钢丝绳公称直径及其金属的截面积有关。此类固定方式的效率较高，可达90%~100%。(4)楔形固定法钢丝绳一段绕过楔形块，利用楔在楔形套筒内的锁紧作用使钢丝绳固定，在钢丝绳拉力作用下自锁固定。为防止楔形块松脱，楔形块下端设有开口销，绳端用绳夹固定。固定处的强度为钢丝绳自身强度75%~85%4.3套管的选型4.3.1橡胶软管的种类为保证上肢康复机器人传动系统布局紧凑，布置灵活，轴向刚度大，可径向弯曲的特点，传动用套管根据材质选择橡胶软管（钢丝编织胶管）。与硬管相区分，橡胶软管最大的特征是可弯曲性。胶管由内胶层，钢丝编织层和外胶层组成。常见橡胶软管主要有工业级橡胶软管、饮料用橡胶软管、高压胶管等[50]。(1)工业级橡胶软管工业级橡胶软管主要由内胶、外胶和中间层组成。中间层通常以编织成份居多，其强化软管强度的作用。此外还有内外胶之间常见内嵌钢丝，适用真空负压作业。还有带导电丝，适用禁止产生火花的作业环境，如燃油等。见图4-2。（a）带编织层工业软管（b）带钢丝工业软管（c）带导丝工业软管图4-2工业级橡胶软管(2)饮料用橡胶软管饮料用软管由胶管由内胶层，二层钢丝编织夹层（二层钢丝）及外胶层组成。适用于输送液压流体，如醇，燃油，润滑油，乳化液等等。(3)高压胶管高压油管按照制作工艺主要分为高压钢丝编织油管与高压钢丝缠绕油管。①钢丝缠绕胶管高压钢丝缠绕胶管结构主要由内胶层、中胶层、四层或多层交替缠绕的钢丝增强层和外胶层组成。内胶层具有使输送介质承受压力，保护钢丝不受侵蚀的作用，外胶层保护钢丝不受损伤，钢丝（ф0.3～2.0增强层）层是骨架材料起增强作用。②钢丝编织胶管\n高压钢丝编织胶管结构主要由耐液体的合成橡胶内胶层、中胶层、Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层钢丝编织层、耐天候的合成橡胶外胶层组成。③石油钻探胶管石油钻探胶管由内胶层、内胶保护层、中胶层、钢丝缠绕层和外胶层组成。4.3.2高压软管高压软管分为：纤维增强聚氨酯软管、纤维增强尼龙软管、钢丝增强聚氨酯软管、钢丝增强尼龙软管、钢丝缠绕树脂软管、食品级软管[51]。①钢丝增强聚氨酯软管结构：内芯聚氨酯（PU）增强层：钢丝编织外皮：聚氨酯（PU)特点：外表光滑、弯曲半径小、各种软管的最小爆破压力是工作压力的3倍、耐温-40°~+100°性能：具有良好的耐油、耐热及耐老化性能、承受压力高、脉冲性能优良。用途：该产品主要用于汽车工业、工程机械、起重运输机械的高压输送及液体传动、可做高压喷漆专用管。②钢丝增强尼龙软管结构：内芯尼龙（PA）增强层：钢丝编织外皮：聚氨酯（PU)特点：外表光滑、弯曲半径小、耐磨损、易弯曲、易安装、能耐许多化学物质腐蚀、内壁光滑、阻力小、流体流畅、各种软管的最小爆破压力是工作压力的3倍、耐温-40°~+120°③纤维增强聚氨酯软管结构：内芯聚氨酯（PU）增强层：纤维编织外皮：聚氨酯（PU)特点：外表光滑、弯曲半径小性能：高强度、高模数、高弹性、耐撕裂、耐溶剂、耐油、耐气候，并兼备于橡胶和塑料的性能。用途：高压、低压软管主要用于机床、汽车、工程机械、摩托车上的高压软管、刹车油管及石油、化工、医药、冶炼等工业自动控制中的气动仪表线等等。④纤维增强尼龙软管结构：内芯尼龙（XPA）增强层：纤维编织外皮：聚氨酯（PU)特点：外表光滑、弯曲半径小4.3.3套管的正确选择、安装及使用指南(1)橡胶软管正确选择[52]\n在选择软管时，应根据特定应用场合而选择合适的软管、接头和软管总成，考虑的因素有：软管的类型、软管的尺寸、软管的长度、系统工作压力、系统的流体以及使用环境，选择时请参考产品标准。在套管选型时，初步选用管径小，具有钢丝编织层、内胶层和外胶层的钢丝增强胶管。钢丝增强胶管使用的钢丝或钢丝绳，一般都是剖面为圆状的钢丝，主要有直丝管、扁丝管等。现在一种使用扁钢丝的趋势。据称，扁钢丝扁平率为30%，与圆钢丝相比，扁钢丝的优点是重量轻，增强层厚度小，胶管曲挠性好，胶管脉冲性能好，而胶管爆破性能相同。直丝管是常用的自行车电动车闸线、排水管疏通线用的弹性外护套。除了直丝管外还有双丝套管。由于可以弯曲又具有很好的刚性，非常适合于便携设备的导索护管或软线的刚性护套。但直丝管体积大、占据空间大，不容易弯曲，不容易贴近车体容易藏泥沙；拉丝单根断裂机会大，寿命较短，但是价钱便宜。扁丝管体积小安装方便容易贴近车体，编织成的扁丝不容易断裂，使用寿命长，特别是不锈钢扁丝，更是高档车所推崇。(2)软管总成的扣压[53]软管的接头有多种多样，应根据不同类型的软管选择不同的接头。接头设计不合理、加工质量差，也会造成内胶损坏；若接头材质选择不当，在扣压过程中易产生变形，从而影响扣压质量，使胶管的寿命缩短。软管分需剥外胶与不需剥外胶两种类型，随之接头也不一样，需剥外胶类型的接头套的沟槽不要太锋利，否则会损伤软管的增强层。正确的扣压接头，对软管总成的安全和不正常工作是至关重要的。接头的类型很多，要选择适宜的接头，接套设计要标准、合理、锋利的沟槽、不规则的尺寸会扣断钢丝增强层。接头扣压时应根据软管的内径及外径确定和扣量。胶管与接头装配时的扣压量和扣压速度选择不当，或接头的结构和、材质、尺寸选择不合理，都可导致胶管与接头压的过紧或过松，造成接头处早期损坏。装配时，若扣压量过小，即接头与胶管间压得过松时，在油压的作用下胶管在使用初期便有可能从接头中脱出；若扣压量过大，则接头与胶管压得过紧，易导致胶管内层受到局部破坏，产生裂纹，高压油会从破裂处直接进入钢丝层，再沿钢丝间的缝隙窜到外套尾部喷出，或一直沿钢丝层窜到某处积聚起来，使外层胶产生鼓包甚至破裂。胶管与接头在装配时，若扣压速度过快，容易造成内胶损坏和钢丝层断裂，使胶管在使用中过早损坏。(3)软管总成的失效没有正确选择、安装软管、接头和软管总成，会导致缩短软管总成的使用寿命、财产损失，严重的甚至伤害身体。(4)软管总成安装指南软管总成的安装，直接关系到软管的使用寿命。\n①软管布置要尽量避免热源，必要时可采用套管或保护屏等装置，以免软管受热变质。②软管必须交叉或工作时可能与机械表面发生摩擦的地方，粗糙的表面或锋利的边角会对软管造成磨损，应用软管夹或弹簧等保护装置，以免胶管外层受到损伤。③软管必须弯曲时，弯曲半径不宜过小，应大于9倍外径。胶管与接头连接处应有一段大于管子外径2倍的直线段。④软管安装时应避免处于拉紧状态，即使软管两端没有相对运动的地方，也要保持软管松弛，张紧的软管在压力作用下会膨胀，强度降低。⑤安装过程中不要扭曲软管。软管受到轻微扭转就有可能使其强度降低和松脱接头，装配时应将接头拧紧在软管上，而不是将软管拧紧在接头上。⑥软管如配置在关键部件上，建议对其进行定期检查或更换。4.4套管最小曲率半径的研究最小曲率半径对康复机器人线管钢丝绳传动系统的布置具有一定参考价值。本节依据适用条件总结了套管最小曲率半径的三个层面，分别为一般最小曲率半径Rmin，套管不发生塑性变形的最小曲率半径R0，套管工作时最小曲率半径R。通过ANSYS仿真[54][55]提取套管的曲率半径与最大应力的关系，依此提出了获得某特定套管最小曲率半径的方法，结果证明其方法具有一定可行性及参考价值。4.4.1套管最小曲率半径的一般获取方法最小曲率半径可依据《GBT3683-2011橡胶套管及套管组合件油基或水基流体适用的钢丝编织增强液压型规范》获得，如下表4-2所示。一般做法为：取试样长度至少为最小弯曲半径的四倍；在套管弯曲前，用卡尺测量套管平直放置状态下的外径；当弯曲到表中给出的最小弯曲半径时，弯曲半径在弯曲部位的内侧测量，套管外径的变化不应超过原外径的10%。由于设计所用套管规格不能从下表查的，可利用插值法获得所需最小弯曲半径，具体做法如下：由插值法得其近似曲线方程为：（4-1）例：取内径d为3mm，得最小弯曲半径为R=56.0087mm,取为57mm。表4-2套管最小弯曲半径(单位：mm)公称内径581012.516192531.538\n最弯曲半径90115130180200240420500500图4-3公称内径-最小弯曲半径关系4.4.2套管不发生塑性变形最小曲率半径套管具有一定的直线性（套管发生弯曲后去掉约束能恢复到直线状态），通过构建结构材料参数相同的线管进行仿真能够较真实的反应真实套管的自然分布状态。(1)获取方法在获取套管不发生塑性变形最小曲率半径时，本节提出了三种方法，如下：方法1通过0.618法进行管长筛选，两端点采用相同的位置约束测试实际套管开始发生塑性变形的位姿。常用套管弯曲空间位姿与套管的材料、管径关系不大，将该套管位姿放入ANSYS中仿真，得到其应力分布情况，而同种管径材料的套管的曲率半径-应力之间有一定的对应关系，根据仿真某套管不同部位的应力可以间接求出其曲率半径。方法2通过0.618法进行管长筛选，两端点采用相同的位置约束测试套管开始发生塑性变形的套管长度，将该姿态放入ANSYS中进行仿真，获得产生最大应力附近的部分节点坐标，转化成参数方程，求其最大应力处的曲率半径作为该套管不发生塑性变形最小曲率半径。方法3通过0.618法进行管长筛选，使套管弯曲成类圆弧状并保持两端点间距套管间距，观察套管曲率半径为多少时开始发生塑性变形。规定测试时采用以套管内侧为测量参考端面，将其测量值进行处理后所得到套管曲率半径值定为该套管不发生塑性变形最小曲率半径。然后再次求取以上三种测试结果、、的均方差，若整体波动较小，则(4-2)(2)获取①实验步骤取套管长，利用0.618法筛选套管，初步选取套管管长为\n测试实际套管开始发生塑性变形的位姿的实验步骤如下：（a）构建实体实验框架，给定套管两端点的位置约束；（b）通过0.618法选取不同长度的套管，在相同固定端点位置上进行试验，快速找到产生微小塑性变形时对应套管的长度，将该套管长度按一定插值增大，找到刚好产生塑性变形时对应套管的长度，随后将该状态下的套管在ANSYS中进行仿真；（c）将仿真获得的最大应变或应力转化成对应的半径值即为套管不发生塑性变形的最小曲率半径；（d）通过适当提取套管获得最大应力附近的节点坐标，插值法转化成参数方程，求其最大应力处的曲率半径作为该套管不发生塑性变形最小曲率半径；（e）实验测定，获得真值。②测试内容实体实验框架选用间距为20mm的并排定位孔（20×40铝型材端面恰好能提供），分别将选取好的套管两端置入20×40铝型材端面外侧凹槽中，为保持一致，套管伸入凹槽长度均保持为20mm。将套管定型10分钟后抽出，定义在5分钟内能自然回复到平整状态的称之为无变形，5分钟内未能自然回复到平直状态称之为变形。能自然回复到平整状态的称之为无变形，5分钟内未能自然回复到平直状态称之为变形。(a)实验状态图(b)套管变形情况效果图图4-4实验状态图套管两端点的位置约束测量测量结果为，两端点间距S=21mm，端点处切线转角均近为12°（由中心轴向外）（参见图4-4-a）。表4-3实验组号套管管长（mm）变形发生否1600未发生2371未发生3229发生微小变形\n4142发生较大变形选取发生微量塑性变形的套管，再此套管管长基础上，按一定差值在小范围内增加管长，例如（见表4-3）。选取套管长=229mm附近的套管进行实验，取初始值L=230mm，筛选套管进行实验。初步取4组数据，L=230mm，233mm，236mm，239mm。按照步骤1、2顺序进行实验，查找出刚发生塑性变形的套管（见表4-4）。表4-4不同套管管长初步弯曲变形试验实验组号套管管长（mm）变形发生否1230发生微小变形2233发生微小变形3236发生微小变形4239基本未发生通过0.618法进行管长筛选，测试结果表明当管长为230-239mm之间的长度时开始发生塑性变形。可将此状态的套管位姿放入ANSYS中仿真，获得最大应力，提取产生最大应力值处节点及节点坐标等数据。③套管仿真为保证实验的准确性，将以上四组套管均进行仿真，仿真结果如表4-5所示。表4-5套管管长细化弯曲变形试验实验组号套管管长（mm）最大应力（Pa）1230223332364239④仿真数据预处理（a）选取曲率半径从10mm-1500mm不等的套管进行仿真，求取套管不同曲率下的应力分布。套管曲率半径-最大应力关系ANSYS仿真结果表4-6。通过MATLAB样条插值和拟合，得套管曲率半径R-最大应力S关系见图4-5。表4-6-a不同曲率半径下的最大应力值曲率半径R(mm)102030405060708090管长L（mm）15.731.447.162.878.5494.2110125.7141.4最大应力(Pa)89278768336694759512表4-6-a不同曲率半径下的最大应力值曲率半径R(mm)100150200250300350400450500\n管长L（mm）157.08235.6314.16392.7471.2549.8628.3706.9785.4最大应力(Pa)536283568326813214221784115307133851190810711表4-6-a不同曲率半径下的最大应力值曲率半R(mm)550600650700750800850900950管长L（mm）863.9942.5102111001178.11256.61335.21413.71492.3最大应力(Pa)973389728237767971406694630159515638通过MATLAB样条插值和拟合，得套管曲率半径R-最大应力S关系见图4-5。(a)套管曲率半径-最大应力关系趋势(b) 局部放大图图4-5套管曲率半径-最大应力关系由于套管管长初步弯曲变形试验的套管最大应力值均在图b局部放大图所示范围内，因此可以提取曲率半径R为10-90mm范围内的仿真数据，通过MATLAB[56][57]样条拟合，得套管曲率半径R-最大应力S关系方程式如下：(4-3)注：曲率半径单位mm。（b）将测得的四组套管的最大应力值代入套管曲率半径-最大应力关系式，得到表4-7结果表4-7试验套管不发生塑性变形的曲率半径实验组号套管管长（mm）最效应力R0(mm)123025.4473223325.5456323625.8564423926.0017（c）将套管管长为L=230mm，233mm,236mm,239mm产生最大应力附近的节点坐标利用MATLAB软件绘制成参数曲线，求取曲线方程，获取最大曲率，进而求出曲率半径。\n(a)不同套管弯曲曲线(b)管长L=236mm套管插值拟合曲线对比(c)管长L=239mm套管插值拟合曲线对比图4-6MATLAB仿真套管曲线根据图4-6，通过样条拟合求取x=10mm附近点进行方程拟合，得到所需函数如下所示：当L=236mm时(4-4)当L=239mm时(4-5)解得（4）式、（5）式的最大值均为曲率半径公式(4-6)其中，K——曲率可得上述两种管长下的最大曲率半径分别为取整得，⑤实验测定法选取将要发生塑性变形的套管L=239mm，使其保持初始实验时的位姿，使用投影法粗略测量该套管的最小曲率半径。测量得其曲率半径R03在21-22mm之间。\n由于目前市场上相同规格不同厂家生产的套管性能略有不同，可在求得该套管不发生塑性变形最小曲率半径值基础上加入适当修正系数作为该种套管不发生塑性变形最小曲率半径值。取取值范围为22mm-33mm为工程应用参考值；k为修正系数值，取为1~1.5。综上，三种方法得到的R0值汇总见下表4-8。表4-8套管不发生塑性变形计算结果汇总方法1方法2方法3L=236mmL=239mmL=236mmL=239mmL=239mm2627272722-33R01R02R03由上表，可知R0的波动不是很大，说明三种方法均具有一定的实用性与参考价值。现由式2-2，取4.4.3套管工作最小曲率半径获取方法保证安装和使用过程中弯曲半径不小于索芯的最小弯曲半径，线管钢丝绳传动过程不发生自锁的曲率半径。(1)钢丝绳最小曲率半径钢丝的反复弯曲次数一符合下表的规定直径大于或等于0.50mm的钢丝应做扭转实验和反复弯曲实验，钢丝的最小反复弯曲次数符合下表4-9。\n表4-9钢丝的最小扭转次数和最小反复弯曲次数钢丝直径mm弯曲圆弧半径mm最小反复弯曲次数（次/180o）最小扭转次数(次/360o，Ln=100d)0.50≤＜0.551.7513340.55≤＜0.6011330.60≤＜0.659320.65≤＜0.707310.70≤＜0.752.5014300.75≤＜0.8013280.80≤＜0.8512260.85≤＜0.9011240.90≤＜0.9510220.95≤＜1.00920由上表可推知，对于钢丝，弯曲圆弧半径r为钢丝直径的2.5-3.5倍左右。对于钢丝绳，一般钢丝绳弯曲圆弧半径r应为钢丝绳直径的40-100倍。(2)套管工作最小曲率半径R套管钢丝绳传动时，套管的弯曲弧度必然大于等于钢丝绳弯曲圆弧，才能保证正常系统传动，由2.3.3节可知套管工作最小曲率半径R。(4-7)其中j取值为40~100。4.5结论本章对套管、钢丝绳的正确选择和使用、材料选择、安装及维护，钢丝绳端部固定方式的选取等做了较为全面的介绍，并初步选出了满足上肢康复机器人用的套管和钢丝绳，为线管钢丝绳传动系统的结构参数设计提供了依据。本文依据适用条件总结了套管最小曲率半径的三个层面，为最小曲率半径，套管不发生塑性变形的最小曲率半径，套管工作最小曲率半径。\n第五章线管钢丝绳传动特性测试与运动控制试验通过前几章对线管钢丝绳特性的理论分析，传动系统空间位姿的变化对传动特性的影响的研究，对线管钢丝绳传动的机理有了一定了解，还需要相应的测试，使其满足本课题上肢康复机器人的使用要求。本章主要进行了传动用套管钢丝绳间摩擦系数的测定及线管钢丝绳传动特性的分析。5.1线管与钢丝绳间摩擦系数的确定套管和钢丝绳的接触比较复杂，钢丝绳外径、单股外径、钢丝绳节距，套管弯曲程度，润滑程度、表面粗糙度及接触面物体类型等均影响摩擦力的大小。实际上，摩擦力大小主要与正压力和摩擦系数有关；影响套管钢丝绳间摩擦系数的主要因素是材料类型，其次是表面粗糙度等[58]。通过选择不同表面材质的钢丝绳与套管配合，测试传动系统中套管与钢丝绳间的摩擦系数[59-62]。本实验由套管、钢丝绳、套管固定装置、拉力测力计、砝码等组成。套管（外径5mm，内径2.5mm）主要由润滑层（尼龙）、螺旋状钢丝、隔层和线管外壳组成。实验用钢丝绳为镀锌不锈钢丝绳和特氟龙不锈钢丝绳2种，其钢丝绳结构均为6×7+IWS，公称直径为1.0mm，最小破断拉力为2.15KN，参考重量1.20kg/100m。(1)摩擦系数测定实验平台[63-69]1)主动端拉力测力计与钢丝绳输入端连接，带动钢丝绳低速平稳运动2)被动端钢丝绳输出端与砝码相连。3)中间支撑拉索本身具有一定柔性，在安装过程中将其弯曲成特定形状，以便更好的测定其全曲率，故采用夹头锁住套管，使套索弯曲成特定形状。本实验在测定套管与钢丝绳间的摩擦系数时选取套管弯曲半径R=100mm。4)数据测量与分析在实验过程中，需要测量的参数有主/被动端拉力大小，以及套索各段对应圆心角质之和值。本实验分别采用拉力测力计和砝码安装在主/被动端、套管对应圆心角之和选取值为等（见图5-1(a)、(b)、(c)）。\n(a)=(b)=(c)=图5-1摩擦系数测定实验平台(2)数据结果1）输入输出拉力测定在实验初期使线管和钢丝绳进行一定时间的磨合后，多次测量取其平均值，即测得在一定输出拉力下所需要的输入力。2）将测定结果代入下式，求得摩擦系数实验实验值理论基础：得，摩擦系数3）数据处理①套管-镀锌钢丝绳间摩擦系数表5-1套管-镀锌钢丝绳间摩擦系数测定\n（kgf）0.51.01.5静摩擦输入力平均值（kgf）0.7201.4202.125静摩擦系数0.03870.03720.0370动摩擦输入力平均值（kgf）0.6981.3892.096动摩擦系数0.03540.03490.0355静摩擦输入力平均值（kgf）0.9801.9502.950静摩擦系数0.04280.04250.0431动摩擦输入力平均值（kgf）0.9391.8512.686动摩擦系数0.04010.03920.0371静摩擦静摩擦输入力平均值（kgf）1.1252.2153.345静摩擦系数0.03690.03620.0365动摩擦输入力平均值（kgf）1.0912.1183.213动摩擦系数0.03550.03410.0346②套管-特氟龙钢丝绳间摩擦系数表5-2套管-特氟龙钢丝绳间摩擦系数的测定（kgf）0.51.01.5静摩擦输入力平均值（kgf）0.8401.78102.880静摩擦系数0.05500.06120.0692动摩擦输入力平均值（kgf）0.7581.2621.833动摩擦系数0.04410.02470.0212静摩擦输入力平均值（kgf）1.5152.9154.475静摩擦系数0.070570.06810.0696动摩擦输入力平均值（kgf）1.0631.9982.956动摩擦系数0.0480.04410.0432静摩擦静摩擦输入力平均值（kgf）2.2203.0805.410静摩擦系数0.067780.05520.0583动摩擦输入力平均值（kgf）1.3822.6213.93动摩擦系数0.046230.043820.0438套管-镀锌钢丝绳间摩擦系数计算如下：动摩擦系数平均值=（0.040+0.039+0.037+0.0401+0.0392+0.0371+0.0355+0.0341+0.0347）/9=0.0374静摩擦系数平均值=（0.0387+0.0372+0.0370+0.0428+0.0425+0.0431+0.00369+0.0362+0.0365）/9=0.0390\n套管-特氟龙钢丝绳间摩擦系数计算如下：动摩擦系数平均值：=（0.0441+0.0247+0.0212+0.048+0.0441+0.0432+0.0462+0.0438+0.0438）/9=0.0399静摩擦系数平均值：=（0.055+0.0612++0.0692+0.0706+0.0681+0.0696+0.0678+0.00552+0.0583）/9=0.0639选择试验用套管-钢丝绳传动系统摩擦系数是影响力传递的一个主要因素，摩擦系数越大，对套管钢丝绳力的传递是不利的，故根据测试结果，选定摩擦系数较小值的套管和钢丝绳进行配合。故选摩擦系数的套管-镀锌钢丝绳传动系统。5.2线管钢丝绳传动特性研究线管钢丝绳传动输入输出力关系见公式3-5，其中。线管钢丝绳传动特性与套管各单元曲率半径、各单元圆弧段对应圆心角之和等有关。以下通过实验测定的方法分析上述因素对其传动特性的影响。(1)套管单元曲率半径对其传动特性的影响图5-2时套管单元曲率半径实验平台表5-3套管不同单元曲率半径下输入力测量值（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）当R=100mm时0.4280.6961.161.3881.8062.1012.5782.944当R=130mm时0.370.7271.0451.3671.7162.0372.422.748\n当R=160mm时0.3890.7241.1071.4051.731.9882.5342.859图5-3输入力-输出力关系图可见，线管钢丝绳传动时套管的曲率半径对其传动特性的影响较小，但由2.3节套管最小曲率半径的研究中，得知曲率半径的大小使套管产生不同的应力分布。因此，在保证套管一定使用寿命的条件下，可以根据布线空间及使用需求适当调整整个传动系统套管的曲率半径。(2)不同关节转角下传动特性的研究在3.3节中我们提出了一种通过仿真的方法测定活动套管对应圆心角之和的方法。为确定该方法的可行性和准确性，现通过实验的方式进行测定套管两端在此特定空间约束下，该活动套管对应圆心角之和。提到选取套管管长L=420mm、340mm、260mm、180mm、100mm五组套管下进行套管空间位姿的测试。实验平台设置成如图5-4所示。为方便输出端在竖直方向加载砝码，在等长二连杆输出端延展出一端具有可测对应圆心角之和的圆弧段（见图5-5）。图5-4不同关节转角下传动特性实验平台设置\n图5-5等长二连杆输出端延展圆弧段示意图实验时通过调节套管两端固定端的位置，即可模拟关节二连杆两端固定套管时的套管空间位姿。(a)=150°,L=420mm(b)=60°,L=420mm(c)=60°,L=180mm图5-6不同关节转角下传动特性实验平台根据线管钢丝绳传动输入输出力关系\n其中可得——套管各圆弧段对应圆心角之和；——套管在模拟二连杆两端节点固定时曲线段对应圆心角之和；——套管延伸圆弧段对应圆心角之和；——关节转角。其中二连杆夹角为180°时，转角0°，二角互为补角。不同关节转角下所对应的值参见表5-4。表5-430°45°60°90°120°135°150°120°135°150°180°150°135°120°①套管管长L=420mm下输入拉力的测定结果表5-5L=420mm（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）=30°0.3270.5910.8951.1371.3891.6741.9382.225=45°0.3260.5950.9001.181.451.691.972.225=60°0.3450.6200.8851.1731.4751.7282.0072.292=90°0.3500.6200.9001.2101.5241.7972.0852.393=120°0.3750.6560.9451.2251.5051.7942.0802.388=135°0.3800.6750.9851.2651.5651.8002.1052.405=150°0.3850.6801.0201.3351.6251.8052.1102.415②套管管长L=340mm下输入拉力的测定结果表5-6L=340mm（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）=30°0.3360.5750.8251.1041.3981.671.9382.212=45°0.3200.5950.9001.1711.441.7051.9852.235=60°0.3450.610.8851.1751.4791.722.0302.289=90°0.3500.620.8851.1951.51.7792.0782.387=120°0.3750.6560.9451.2251.5051.8052.082.388=135°0.3800.6750.9851.2651.5651.8202.1052.432=150°0.3850.6801.0201.3351.6251.8312.1992.429③套管管长L=260mm下输入拉力的测定结果表5-7\nL=260mm（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）=30°0.3350.5730.8351.0961.3961.6731.9322.216=45°0.3240.5950.8991.1651.4381.711.9672.250=60°0.3450.6150.8951.1751.4761.7322.0322.286=90°0.3450.6201.5201.1951.5201.7722.0652.394=120°0.3750.6560.9451.2251.5351.802.0802.388=135°0.3800.6750.9851.2651.5651.8102.1052.405=150°0.3850.6801.0201.3351.6251.8352.1252.427④套管管长L=180mm下输入拉力的测定结果表5-8L=180mm（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）=30°0.3350.5750.8341.0731.3931.671.9392.213=45°0.330.6050.8951.61.4361.711.9982.228=60°0.360.610.8951.1641.4691.7332.0292.316=90°0.3400.6200.8951.2001.5151.7752.0602.380=120°0.3750.6600.9451.2251.5291.7802.0852.388=135°0.3800.6750.9851.2651.5651.8092.1052.405=150°0.3850.6801.0201.3351.6251.8152.1152.426⑤套管管长L=100mm下输入拉力的测定结果表5-9L=100mm（kgf）0.250.50.7511.251.51.752输入力平均值（kgf）=30°0.3350.5750.8351.0351.3921.6721.9232.222=45°0.3350.6050.9001.1601.4401.7101.9802.245=60°0.3450.6200.9151.1721.4691.7232.0222.328=90°0.3300.6200.8951.2001.4951.7802.0832.394=120°0.3750.6600.9451.2251.5051.7802.0902.396=135°0.3800.6750.9851.2651.5651.8102.1352.405=150°0.3850.6801.0201.3351.6251.8152.1202.415的计算公式如下：根据计算结果，发现输出拉力较小时测力计测得拉力值波动加大。为减小误差，选取较大的输出拉力=1.25kgf、1.5kgf、1.75kgf、2kgf\n下的输入拉力测试值并进行计算，将计算结果填入表5-10。表5-10实验值30°45°60°90°120°135°150°实验值当L=420mm时42°92°104°114°165°178°225°当L=340mm时51°82°108°115°165°187°256°当L=260mm时49°80°105°120°165°181°235°当L=180mm时46°78°97°115°159°181°229°当L=100mm时45°82°97°115°165°189°228°表5-11仿真值30°45°60°90°120°135°150°实验值当L=420mm时46°68°93°142°192°216°248°当L=340mm时46°69°97°145°189°215°255°当L=260mm时46°73°96°145°190°199°226°当L=180mm时50°75°101°145°197°223°273°当L=100mm时50°74°99°145°192°222°270°(a)实验值(b)仿真值\n(c)实验值和仿真值图5-7实验值和仿真值对比通过图5-7(a)、(b)、(c)对比，可以看出在此特定位姿约束下，套管管长对值的影响较小；实验值与仿真值的变化趋势相近。在转角较小时，二者近似相等，随着转角的增大，仿真值大约为实验值的0.8倍。说明该仿真方法具有一定的可行性。但值得注意的是实验过程中由于运动速度的不均匀性易造成测量值在一定范围内波动，使实验值的计算结果存在一定偏差。这也符合上肢康复机器人线管钢丝绳传动时运动速度不均匀的特点。实验值是影响线管钢丝绳传动特性的直接因素，由于测定困难，我们可以通过在计算出的仿真值基础上，乘以某一基数c，作为实验值。即实验值=c*仿真值，c值可以通过多次测量取定。5.3线管钢丝绳传动运动控制初步试验本课题设计的康复机器人采用穿戴式外骨骼设计，结构轻巧，使用简单。其造型图见图5-8、图5-9。\n图5-8三维造型图图5-9实物图传统的偏瘫康复治疗中医师需要手把手带动病人患肢完成一系列的简单动作。为实现康复训练的目的，本组研究的上肢康复机器人也需要带动病人患肢进行运动以实现不同训练需求。因此，对于该康复机器人，本组提出了具有自主训练和监护陪同训练两类训练方式。其中监护训练可分为专业医师指导操作训练和非专业人士协助训练两种；自主训练是患者自主操纵设备实现康复训练，该自主康复训练模式包括指定康复训练模式选择、自主运动录制、随动康复训练（即双臂镜像运动）等[57]。图5-10康复训练上肢康复机器人电气系统结构框图如图5-10所示，电气控制系统主要由传感系统（角位移传感器）、气动控制元件（比例方向控制阀、比例方向控制阀指示灯等）、控制器（CompactRIO嵌入式系统的cRIO-9024实时控制器）和PC机组成。控制器通过输入模块获取传感器的信息，经过数据分析和处理之后，通过TCP/IP上传给PC机，PC\n机根据所选择的康复模式发送控制指令到控制器，然后控制器通过输出模块发送信号到气动控制元件，进而控制机械本体的运动。电气系统的控制对象为固定在机架上气缸，气缸与受电信号控制的气动控制元件搭建成可控气动回路。康复上肢康复机器人上各关节装有角位置传感器等传感装置，为上肢康复机器人的运动控制提供必要的信息支持。CompactRIO平台[70]可以通过NI9221模块和NI9264模块直接进行模拟输入（AI）和模拟输出（AO）。CompactRIO嵌入式系统的cRIO-9024实时控制器运行LabVIEW实时(Real-Time)，进行确定性控制、数据记录和分析，在保证可靠性和确定性的前提下顺利执行LabVIEW实时程序。本系统需要用到两个NI9221模块的12个模拟输入通道，一个NI9264模块的6个模拟输出通道。左右上肢康复机器人均有六个自由度，其中右臂可以自由运动，不受气缸驱动，成为主动臂；左臂可以通过六个气缸驱动各个关节运动，成为从动臂。两个NI9221模块的AI0-AI5分别用于测量主动臂和从动臂的六个旋转副的位置信息，NI9264的AO0-AO5用于控制驱动从动臂的气缸的运动。其余三个模拟输入输出端口用于采集机械手的位置信息和控制机械手的运动。具体分配情况见表5-12。表5-12康复训练上肢康复机器人模拟I/O通道的分配表旋转副NI9221(1)旋转副NI9221(1)NI9264右侧肩部前伸AI0左侧肩部前伸AI0AO0右侧肩部旋转AI1左侧肩部旋转AI1AO1右侧肩部侧伸AI2左侧肩部侧伸AI2AO2右侧肘关节AI3左侧肘关节AI3AO3右侧手腕弯曲AI4左侧手腕弯曲AI4AO4右侧手腕旋转AI5左侧手腕旋转AI5AO5通过联机调试，能够实现患者上肢在不同训练模式下进行训练。随动康复训练时肘关节在随动运行时主动臂和从动臂的位置变化关系实验结果见图5-11。在康复训练上肢康复机器人的随动控制康复模式下，需要实现利用健康手臂的运动信息驱动患肢的运动，主动臂的运动信息作为控制信号，从动臂上的比例方向控制阀与角度传感器组成闭环系统，通过主动臂的控制信号控制从动臂气缸的运动。实验结果表明，此种训练模式下，虽然钢丝线在传动过程中存在非线性现象引起从动臂的跟随运动存在一定的延时，但患臂基本到达指定位置。但在指定康复训练模式选择、自主运动录制等训练模式下，执行末端在空间的大幅度运动引起线管钢丝绳传动严重的位移非线性现象对传动的及时性、上肢康复机器人执行末端位置的准确性的影响较为明显。因此在运动时，应给与管钢丝绳传动一定的非线性补偿。如何将康复训练时套管钢丝绳传动的空间位姿对应圆心角之和转化成随时间变化的函数，将对解决线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制提供了一个方向。\n图5-11肘关节在随动运行时主动臂和从动臂的位置变化关系5.4小结本章通过了理论和实验、仿真相结合的方式进一步了解了上肢康复机器人用线管钢丝绳传动特性。实验测定出线管钢丝绳传动的摩擦系数。测定出套管各单元曲率半径对传动系统传动特性影响较小。验证了通过仿真方法求取各单元圆弧段对应圆心角之和具有可行性，对线管钢丝绳空间位姿进行了定量分析。最后对上肢康复机器人的运动控制进行了一定实验。实验结果表明，该机器人能够实现患者上肢在不同训练模式下进行训练。但线管钢丝绳传动呈一定非线性，如何将线管钢丝绳空间位姿转化成随时间变化的函数可能为解决上肢康复机器人用线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制提供了一定方向。\n\n\n第六章总结与展望6.1总结本文结合本组研制的六自由度上肢康复机器人样机，对其传动系统-线管钢丝绳传动系统的传动特性进行了研究。目前国内外的不少学者通过理论、仿真及实验等方式已经对影响套索传动特性的的各因素进行了较为深入的研究。线管钢丝绳的非线性现象是影响其系统传动特性的主因，进而影响了对上肢康复机器人的运动控制。针对本组线管钢丝绳传动局部套管随上肢康复机器人运动空间位姿不断变化的情况，对系统传动特性，运动控制带来更加明显的影响。本文以线管钢丝绳传动系统为研究对象，以线管钢丝绳传动特性为研究目的，结合工作室现有条件，在以下几方面进行了研究：1.依据上肢康复机器人柔性传动系统，建立了系统圆弧段模型静态力学分析，分析了影响线管钢丝绳传动空间位姿的主要因素，提出了对称套管布线的基本方式；提出了一种测定活动套管对应圆心角之和的方法。2.完成了对上肢康复机器人执行机构各关节运动空间的分析，并初步估测出各关节处活动套管管长；通过仿真的方式对上肢康复机器人肩关节旋内/旋外、外展/内收、伸展/屈曲等运动时套管空间位姿进行初步估测；最后确定了不同关节处活动套管管长。2.对套管、钢丝绳的正确选择和使用、材料选择、安装及维护，钢丝绳端部固定方式的选取等做了较为全面的介绍，并初步选出了满足上肢康复机器人用的套管和钢丝绳，依据套管适用条件总结了套管最小曲率半径的三个层面，分别为最小曲率半径，软管不发生塑性变形的最小曲率半径及软管工作最小曲率半径；为线管钢丝绳传动系统的结构参数设计提供了依据。4.本章通过了理论和实验、仿真相结合的方式进一步了解了上肢康复机器人用线管钢丝绳传动特性。实验测定出线管钢丝绳传动的摩擦系数。测定出套管各单元曲率半径对传动系统传动特性影响较小。验证了通过仿真方法求取各单元圆弧段对应圆心角之和具有可行性，对线管钢丝绳空间位姿进行了定量分析。最后对上肢康复机器人的运动控制进行了一定实验。实验结果表明，该机器人能够实现患者上肢在不同训练模式下进行训练。如何将线管钢丝绳空间位姿转化成随时间变化的函数可能为解决上肢康复机器人用线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制提供了一定向。6.2展望\n在本课题的研究过过程中取得了一定的研究成果，与此同时也遇到了诸多问题。由于个人能力有限，有一些问题尚待解决、改进和完善，现归纳如下：1.在对线管钢丝绳传动空间位姿分析时，忽略了钢丝绳压力对套管空间位姿的影响，影响其空间位姿的因素分析停留在二维平面和三维螺旋曲线，是否对于空间任意曲线适用或具有指导价值有待研究。2.本文在确定机器人布线特性时，以布线原则为基础选取满足活动段最小管长且最大应力较小者为目标，如何布置套管空间位姿使线管钢丝绳传动性能的影响较小得研究还不深入。3.实验平台精度不高、测量数据的波动性等造成测量数据不准确，负载较重时震颤等外界干扰引起的套管位姿变化也会对测试结果造成一定影响。4.为解决上肢康复机器人用线管钢丝绳传动的非线性补偿运动控制，如何将线管钢丝绳空间位姿转化成随时间变化的函数可作为今后研究的一个方向。\n参考文献[1]陈伟海，王辉华，于守谦，雷银照.绳驱动机器人的解耦分析和位置控制[J].北京航空航天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