肘腕4-DOF冗余康复外骨骼构型综合方法

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230232

摘要/Abstract

摘要：

针对外骨骼康复机器人与人体之间轴线错位而导致的不兼容等问题，提出了一种冗余康复外骨骼的构型综合方法.首先，通过全局静力条件确定冗余运动副的数目，并利用几何分析减少冗余运动副类型组合的数目；其次，基于用户舒适度考虑了可能的冗余运动副轴线组合并选择了合适的组合方式；接着，结合工程约束考虑冗余运动副的可能位置排列并确定最优位置排列；最后，通过分析冗余运动副的运动，确定外骨骼和人体的位置和姿态.结果表明，在不同的轴线错位情况下，最优构型使外骨骼与人体能够实现相同的位置和姿态，有效克服了运动学不兼容性问题.

关键词: 人机相容性, 机构合成, 人机闭链, 外骨骼机器人

Abstract:

To address issues such as incompatibility caused by axis misalignment between rehabilitation robots’ exoskeletons and the human body， a configuration synthesis method for redundant rehabilitation exoskeletons was proposed. Firstly， the number of redundant motion pairs was determined through global static conditions， and geometric analysis was used to reduce the number of combinations of redundant motion pair types. Secondly， based on user comfort， possible redundant motion pair axis combinations were considered and appropriate combination modes were selected. Next， the possible position arrangement of redundant motion pairs was considered to determine the optimal position arrangement based on engineering constraints.Finally， the motion of redundant motion pairs was analyzed to determine the position and posture of the exoskeleton and human body. The results indicated that the optimal configuration can achieve the same position and posture between the exoskeleton and the human body under different axes misalignment conditions， effectively overcoming the problem of kinematic incompatibility.

Key words: human-robot compatibility, mechanism synthesis, human-machine closed loop, exoskeleton robot

中图分类号:

TP 242

单泉, 黄建聪, 张顺, 陈砚. 肘腕4-DOF冗余康复外骨骼构型综合方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2025, 46(2): 64-75.

Quan SHAN, Jian-cong HUANG, Shun ZHANG, Yan CHEN. Configuration Synthesis Method of Elbow & Wrist 4-DOF Redundant Rehabilitation Exoskeleton[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(2): 64-75.

图/表 21

图1 1-DOF人体肢体和外骨骼的示意图（a）—不存在运动副；（b）—存在运动副.

Fig. 1 Schematic of 1-DOF human limbs and exoskeleton

图2 肘关节和腕关节的解剖图（a）—人体肘关节；（b）—人体腕关节.

Fig. 2 Anatomical diagram of the elbow and wrist joints

图3 运动闭链示意图（a）—关节运动；（b）—关节静止.

Fig. 3 Schematic diagram of the closed loop of motion

表1 肘、腕冗余运动副种类合成l1=4,l2=4

Table 1 Synthesis of redundant motion pair types for elbows and wrists l1=4,l2=4

L₁

2R4P,2R3P1R,2R2P2R

2R1P3R,2R4R

L₂

2R4P,2R3P1R,2R2P2R

2R1P3R,2R4R

表2 肘、腕冗余运动副种类合成l1=5,l2=3

Table 2 Synthesis of redundant motion pair types for elbows and wrists l1=5,l2=3

L₁

2R5P,2R4P1R,2R3P2R

2R2P3R,2R1P4R,2R5R

L₂

2R3P,2R2P1R,2R1P2R

2R3R

图4 运动过程示意图

Fig. 4 Schematic diagram of the motion process

图5 外骨骼轴线与人体轴线满足平行度要求时∆H与∆T的变化（a）—∆H变化图；（b）—∆T变化图.

Fig. 5 Variation of ∆H and ∆T when the exoskeleton axis meets the parallelism requirement with the body axis

表3 肘、腕部的冗余运动副种类合成l1=4,l2=4

Table 3 Synthesis of redundant motion pair types for elbows and wrists l1=4,l2=4

种类

合成

L₁

1P1R

2R3P1R

2R2P2R

2R1P3R

L₂

1P1R

2R3P1R

2R2P2R

2R1P3R

表4 肘、腕部的冗余运动副种类合成l1=5,l2=3

Table 4 Synthesis of redundant motion pair types for elbows and wrists l1=5,l2=3

L₁

2R4P1R

2R3P2R

2R2P3R

2R1P4R

L₂

1P1R

2R2P1R

2R1P2R

图6 当l1=4,l2=4时，肘关节处力和力矩分析

Fig. 6 Force and moment analysis at the elbow joint whenl1=4,l2=4

图7 当l1=4，l2=4时，腕关节处力和力矩分析

Fig. 7 Force and moment analysis at the wrist joint when l1=4,l2=4

图8 当l1=5,l2=3时，肘关节处力和力矩分析

Fig. 8 Force and moment analysis at the elbow joint when l1=5,l2=3

图9 当l1=5,l2=3时，腕关节的力和力矩分析

Fig. 9 Force and moment analysis of the wrist joint when l1=5,l2=3

表5 肘、腕部的力与力矩情况l1=4,l2=4

Table 5 Force and torque conditions for elbows and wrists l1=4,l2=4

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
1P3R	$1 P x 1 R z - 2 R x y$	$F y ， F z$
2P2R	$1 P x 1 R z - 1 P y 1 R x$ $1 P x 1 R z - 1 P y 1 R y$ $1 P x 1 R z - 1 P z 1 R x$ $1 P x 1 R z - 1 P z 1 R y$	$F z ， M y$
		$F z ， M x$
		$F y ， M y$
		$F y ， M x$
3P1R	$1 P x 1 R z - 2 P y z$	$M x ， M y$

表5 肘、腕部的力与力矩情况l1=4,l2=4

Table 5 Force and torque conditions for elbows and wrists l1=4,l2=4

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
1P3R	$1 P x 1 R z - 2 R x y$	$F y ， F z$
2P2R	$1 P x 1 R z - 1 P y 1 R x$ $1 P x 1 R z - 1 P y 1 R y$ $1 P x 1 R z - 1 P z 1 R x$ $1 P x 1 R z - 1 P z 1 R y$	$F z ， M y$
		$F z ， M x$
		$F y ， M y$
		$F y ， M x$
3P1R	$1 P x 1 R z - 2 P y z$	$M x ， M y$

表6 肘部的力与力矩情况l1=5,l2=3 (l1=5,l2=3)

Table 6 Force and torque conditions for elbows

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
4P1R	$1 P x 1 R z - 3 P x y z$	$M x ， M y$
	$1 P x 1 R z - 3 P y y z$	$M x ， M y$
	$1 P x 1 R z - 3 P y z z$	$M x ， M y$
3P2R	$1 P x 1 R z - 2 P y z 1 R x$	$M y$
3P2R	$1 P x 1 R z - 2 P y z 1 R y$	$M x$
2P3R	$1 P x 1 R z - 1 P y 2 R x y$	$F z$
	$1 P x 1 R z - 1 P z 2 R x y$	$F y$
1P4R	$1 P x 1 R z - 3 R x x y$	$F y ， F z$
	$1 P x 1 R z - 3 R y x y$	$F y ， F z$
	$1 P x 1 R z - 3 R z x y$	$F y ， F z$

表6 肘部的力与力矩情况l1=5,l2=3 (l1=5,l2=3)

Table 6 Force and torque conditions for elbows

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
4P1R	$1 P x 1 R z - 3 P x y z$	$M x ， M y$
	$1 P x 1 R z - 3 P y y z$	$M x ， M y$
	$1 P x 1 R z - 3 P y z z$	$M x ， M y$
3P2R	$1 P x 1 R z - 2 P y z 1 R x$	$M y$
3P2R	$1 P x 1 R z - 2 P y z 1 R y$	$M x$
2P3R	$1 P x 1 R z - 1 P y 2 R x y$	$F z$
	$1 P x 1 R z - 1 P z 2 R x y$	$F y$
1P4R	$1 P x 1 R z - 3 R x x y$	$F y ， F z$
	$1 P x 1 R z - 3 R y x y$	$F y ， F z$
	$1 P x 1 R z - 3 R z x y$	$F y ， F z$

表7 腕部的力与力矩情况l1=5,l2=3 (l1=5,l2=3)

Table 7 Force and torque conditions for wrists

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
2P1R	$1 P x 1 R z - 1 P y$	$F z ， M x ， M y$
2P1R	$1 P x 1 R z - 1 P z$	$F y ， M x ， M y$
1P2R	$1 P x 1 R z - 1 R x$	$F y ， F z ， M y$
1P2R	$1 P x 1 R z - 1 R y$	$F y ， F z ， M x$

表7 腕部的力与力矩情况l1=5,l2=3 (l1=5,l2=3)

Table 7 Force and torque conditions for wrists

种类合成子链	轴线合成	传递力和力矩的方向
2P1R	$1 P x 1 R z - 1 P y$	$F z ， M x ， M y$
2P1R	$1 P x 1 R z - 1 P z$	$F y ， M x ， M y$
1P2R	$1 P x 1 R z - 1 R x$	$F y ， F z ， M y$
1P2R	$1 P x 1 R z - 1 R y$	$F y ， F z ， M x$

图10 机构简图

Fig. 10 Mechanism sketch

图11 增大人机接合面

Fig. 11 Enlarged human-machine interface

图12 当连杆b起点坐标为（40,50,0）时，外骨骼与人体的运动过程（a）—外骨骼与人体运动过程；（b）—外骨骼与人体之间的姿态偏差；（c）— 冗余移动副的运动图；（d）— 冗余转动副的运动图.

Fig. 12 Motion process of the exoskeleton and the human body when the coordinates of the starting point of the connecting rod b are （40,50,0）

图13 当连杆b起点坐标为（0,0,50）时，外骨骼与人体的运动过程（a）—外骨骼与人体的运动过程；（b）—外骨骼与人体之间的姿态偏差；（c）—冗余移动副的运动图；（d）—冗余转动副的运动图.

Fig. 13 Motion process of the exoskeleton and the human body when the coordinates of the starting point of the connecting rod b are （0,0,50）

图14 当连杆b起点坐标为（40,50,50）时，外骨骼与人体的运动过程（a）—外骨骼与人体的运动过程；（b）—外骨骼与人体之间的姿态偏差；（c）—冗余移动副的运动图；（d）—冗余转动副的运动图.

Fig. 14 Motion process of the exoskeleton and the human body when the coordinates of the starting point of the connecting rod b are （40,50,50）

参考文献 20

1	Hwang S H， Sun D I， Han J， et al. Gait pattern generation algorithm for lower-extremity rehabilitation–exoskeleton robot considering wearer’s condition［J］. Intelligent Service Robotics， 2021， 14（3）： 345-355.
2	Valdez S I， Gutierrez-Carmona I， Keshtkar S， et al. Kinematic and dynamic design and optimization of a parallel rehabilitation robot［J］. Intelligent Service Robotics， 2020， 13（3）： 365-378.
3	Xu P P， Xia D， Li J C， et al. Execution and perception of upper limb exoskeleton for stroke patients： a systematic review［J］. Intelligent Service Robotics， 2022， 15（4）： 557-578.
4	Shi D， Zhang W X， Zhang W， et al. A review on lower limb rehabilitation exoskeleton robots［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2019， 32（1）： 74-84.
5	Hu M W， Wang H G， Pan X N. Optimal configuration selection for stiffness identification of 7-DOF collaborative robots［J］. Intelligent Service Robotics， 2020， 13（3）： 379-391.
6	Ruiz-Olaya A F， Lopez-Delis A， da Rocha A F. Upper and lower extremity exoskeletons［M］//Handbook of Biomechatronics. Amsterdam： Elsevier， 2019： 283-317.
7	Louie D R， Eng J J. Powered robotic exoskeletons in post-stroke rehabilitation of gait： a scoping review［J］. Journal of Neuroengineering and Rehabilitation， 2016， 13（1）： 53-57.
8	Wang X， Song Q Z， Wang X G， et al. Kinematics and dynamics analysis of a 3-DOF upper-limb exoskeleton with an internally rotated elbow joint［J］. Applied Sciences， 2018， 8（3）： 464.
9	Esmaeili M， Jarrassé N， Dailey W， et al. Hyperstaticity for ergonomie design of a wrist exoskeleton［C］// IEEE 13th International Conference on Rehabilitation Robotics （ICORR）. Seattle， WA：IEEE， 2013： 1-6.
10	Schiele A. An explicit model to predict and interpret constraint force creation in pHRI with exoskeletons［C］//2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena：IEEE， 2008： 1324-1330.
11	Yan H， Wang H B， Chen P， et al. Configuration design of an upper limb rehabilitation robot with a generalized shoulder joint［J］. Applied Sciences， 2021， 11（5）： 2080.
12	Jarrasse N， Morel G. Connecting a human limb to an exoskeleton［J］. IEEE Transactions on Robotics， 2011， 28（3）： 697-709.
13	Fang Y F， Tsai L W. Enumeration of a class of overconstrained mechanisms using the theory of reciprocal screws［J］. Mechanism and Machine Theory， 2004， 39（11）： 1175-1187.
14	Perry J C， Rosen J， Burns S. Upper-limb powered exoskeleton design［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2007， 12（4）： 408-417.
15	Schiele A， van der Helm F C T. Kinematic design to improve ergonomics in human machine interaction［J］. IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering， 2006， 14（4）： 456-469.
16	Schiele A， van der Helm F C T. Influence of attachment pressure and kinematic configuration on pHRI with wearable robots［J］. Applied Bionics and Biomechanics， 2009， 6（2）： 157-173.
17	Jamwal P K， Hussain S， Ghayesh M H， et al. Impedance control of an intrinsically compliant parallel ankle rehabilitation robot［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（6）： 3638-3647.
18	Näf M B， Junius K， Rossini M， et al. Misalignment compensation for full human-exoskeleton kinematic compatibility： state of the art and evaluation［J］. Applied Mechanics Reviews， 2018， 70（5）： 050802.
19	李剑锋，黄相强，陶春静，等. 膝关节康复外骨骼构型综合与结构设计［J］.哈尔滨工程大学学报， 2017， 38（4）： 625-632.
	Li Jian-feng， Huang Xiang-qiang， Tao Chun-jing， et al. Configuration synthesis and structure design of knee rehabilitation exoskeleton［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38（4）： 625-632.
20	Chao E Y， An K N， Askew L J， et al. Electrogoniometer for the measurement of human elbow joint rotation［J］.Journal of Biomechanical Engineering， 1980， 102（4）： 301-310.

[1]	徐红丽, 贾本卿, 栾阔. 基于改进人工势场的多UUV编队避障方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(11): 1547-1556.
[2]	陈晓明, 陈大川, 赵玉倩, 李程. 面向海滩环境监测的绳驱柔性骨骼仿生蟹机器人[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(10): 1443-1451.
[3]	单泉, 张顺, 黄建聪, 陈砚. 上肢康复机器人模糊自适应交互控制研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(7): 974-983.
[4]	吴昊, 梁忠超, 王文成, 王永富. 具有不确定滑转的轮式移动机器人轨迹跟踪控制方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(6): 858-865.
[5]	陆志国, 王逍. 基于B样条与鲸鱼优化算法的机械臂轨迹规划[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(5): 683-689.