手部康复机的设计
支撑要求：由于偏瘫患者的患肢都比较虚弱，一般情况下患者都不能对患肢进行自主支撑，所以设计的机器人应该具有对患者进行支撑机构，以满足训练时对患肢支撑的需求。这里对于手部康复机，只要对上臂固定，手部悬空就可以满足支撑要求。
患者安全的要求：由于治疗机器人直接对患者的肢体进行操作，而且相对健康人手臂来说，患者患肢更容易受到损伤，所以康复训练机器人在保障患肢安全方面要求很高，主要表现在机器人的结构设计和控制系统的设计中。这里手康复机的设计中我们主要考虑结构安全，限制极限位置，防止对患者拉伤。
指掌结构采用铝合金材料制作。这种材料共同优点是轻便、美观、卫生、加工方便。制成后的康复机器人更加符合生物力学要求，不仅穿戴时更加舒适，同时也提高了治疗效果。 2.2手部康复机的设计方案
目前，设计的手功能康复机结构要求简单、轻便、安全，还要有经济性和实用性。这里我们设计多种方案，通过比较得到最合适的方案，就选择的方案进一步设计。 2.2.1 设计方案一
方案一：选取合适的伺服步进电机,电机转轴伸出与丝杠连接，电机转动带动丝杠转动，螺母由于丝杠的转动做直线运动，螺母上连接两条钢丝，螺母的直线运动拉动两钢丝完成所需的要求[4]。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）
1永磁式步进电机 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；永磁式步进电动机输出力矩大，动态性能好，但步距角大。
2反应式步进电机 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。反应式步进电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差。
3混合式步进电机综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，它的步距角小，出力大，动态性能好，是目前性能最高的步进电动机。它有时也称作永磁感应子式步进电动机。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小。
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图2-2伺服电机 Figure2-2 Servo motor
丝杠的选择：按照国标GB/T17587.3-1998及应用实例，滚珠丝杠（目前已基本取代梯形丝杠，已俗称丝杠）是用来将旋转运动转化为直线运动；或将直线运动转化为旋转运动的执行元件，并具有传动效率高，定位准确等特点；当丝杠作为主动体时，螺母就会随丝杠的转动角度按照对应规格的导程转化成直线运动，被动工件可以通过螺母座和螺母连接，从而实现对应的直线运动。滚珠丝杠螺母间因无间隙，直线运动时精度较高，尤其在频繁换向时无需间隙补偿。滚珠丝杠丝母间摩擦力很小，转动时非常轻松。
滚珠丝杠与电机连接时中间必须加装联轴器以达到柔性连接。同步带则可以直接用同步轮与电机出力轴连接。滚珠丝杠副依据国家标准GB/T17587.3-1998, 分为定位滚珠丝杠副(P)和传动滚珠丝杠副(T)两大类.精度等级共分七个等级,即1.2.3.4.5.7.10级,1级精度最高.依次降低. 滚珠丝杆转动一周螺母移动的距离为一个螺距距离,如果是丝杠每转一周螺母移动四个（或五个）螺旋线的距离，那么表示该丝杠是四线（或五线）丝杠，俗称四头（或五头）丝杠。 一般小导程滚珠丝杠都采用单线，中，大或超大导程采用两线或多线。 选型：滚珠丝杠的选型过程中对滚珠丝杠本身需要注意的主要参数如下： 1---公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120，不过请注意，这些规格中，各厂家一般只备16~50的货，也就是说，其他直径大部分都是期货（见单生产，货期大约在30~60天之间，日系产品大约是2~2.5个月，欧美产品大约是3~4个月）。公称直径和负载基本成正比，直径越大的负载越大，具体数值可以查阅厂家产品样本。这里只说明两个概念：动额定负荷与静额定负荷，前者指运动状态下的额定轴向负载，后者是指静止状态下的额定轴向负载。设计时参考前者即可。需要注意的是，额定负荷并非最大负荷，实际负荷与额定负荷的比值越小，丝杠的理论寿命越高。推荐：直径尽量选16~63。
2---导程。也称螺距，即螺杆每旋转一周螺母直线运动的距离，常见导程有
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1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40，中小导程现货产品一般只有5、10，大导程一般有1616、2020、2525、3232、4040（4位数前两位指直径，后两位指导程），其他规格多数厂家见单生产。导程与直线速度有关，在输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。推荐：导程尽量选5和10。
3---长度。长度有两个概念，一个是全长，另一个是螺纹长度。有些厂家只计算全长，但有些厂家需要提供螺纹长度。螺纹长度中也有两个部分，一个是螺纹全长，一个是有效行程。前者是指螺纹部分的总长度，后者是指螺母直线移动的理论最大长度，螺纹长度=有效行程+螺母长度+设计裕量（如果需要安装防护罩，还要考虑防护罩压缩后的长度，一般按防护罩最大长度的1／8计算）。在设计绘图时，丝杠的全长大致可以按照一下参数累加：丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）。特别需要注意的是，如果你的长度超长（大于3米）或长径比很大（大于70），最好事先咨询厂家销售人员可否生产，总体的情况是，国内厂家常规品最大长度3米，特殊品16米，国外厂家常规品6米，特殊品22米。当然不是说国内厂家就不能生产更长的，只是定制品的价格比较离谱。推荐：长度尽量选6米以下，超过的用齿轮齿条更划算了。
4---螺母形式。各厂家的产品样本上都会有很多种螺母形式，一般型号中的前几个字母即表示螺母形式。按法兰形式分大约有圆法兰、单切边法兰、双切边法兰和无法兰几种。按螺母长度分有单螺母和双螺母（注意，单螺母和双螺母没有负载和刚性差异，这一点不要听从厂家销售人员的演说，单螺母和双螺母的主要差异是后者可以调整预压而前者不能，另外后者的价格和长度大致均是前者的2倍）。在安装尺寸和性能允许的情况下，设计者在选用时应尽量选择常规形式，以避免维护时备件的货期问题。推荐：频繁动作、高精度维持场合选双螺母，其他场合选双且边单螺母。推荐：螺母形式尽量选内循环双切边法兰单螺母。
5---精度。滚珠丝杠按GB分类有P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1、2、3、4.....几种，国外产品一般不分传动还是定位，一律以C0~C10或具体数值表示，一般来说，通用机械或普通数控机械选C7（任意300行程内定位误差±0.05）或以下，高精度数控机械选C5（±0.018）以上C3（±0.008）以下，光学或检测机械选C3以上。特别需要注意的是，精度和价格关联性很大，并且，精度的概念是组合和维持，也就是说，螺杆的导程误差不能说明整套丝杠的误差，出厂精度合格不能说明额定使用寿命内都维持这个精度。这是个可靠性的问题，与生产商的生产工艺有关。推荐：精度尽量选C7。
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以上说的都是主要参数，在选用型号时还得用到以下参数：珠卷数，珠径，制造方式代码，预压等级等。
图2-3 丝杠螺母 Figure2-3 Screw nut
每个频率下电机输出的转数要与丝杠螺母合适，来保证螺母有足够的行程，选取转度为600prm的电机，输出脉冲为1个每秒，步进间隔为0.5秒，选取螺距为20mm的丝杠，这样一来每秒电机输出10转，螺母移动10cm，满足设计要求。
方案一的示意图如下图2-4[6]
图2-4 方案一示意图 Figure2-4 Option one diagram
2.2.2 设计方案二
方案二：选取合适的伺服电机，电机伸出轴与一直径合适的转轮相连，连接转轮是为了弹簧有足够大的行程，然后转轮上连接弹簧，电机转动带动转轮 转动拉动弹簧完成设计要求。示意图如下图2-5。
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图2-5 方案二示意图 Figure2-5 Option two diagram
2.2.3 设计方案三
方案三：手功能康复机的驱动部分采用气动肌肉，气动肌肉是一种有压缩空气控制的可收缩的直线驱动器，其内部是弹性很好的橡胶管，外层是抗拉强度很高的纤维编织网套，橡胶管与纤维编织网套在两端用钢箍固定，当充入空气后，橡胶管向外膨胀，与外层纤维网接触，进而产生轴向收缩，所产生的拉力可以驱动外接负载。
手康复机本体中气动肌肉通过钢丝与拇指和四指相连，这样不仅结构简单，而且可以保证气动肌肉的收缩力一直是沿气动肌肉轴向，气动肌肉就不会出现扭转、弯曲等状态，提高了气动肌肉拉力的利用率，延长了气动肌肉的使用寿命。
气动肌肉的气源也是必不可少的设备，选用功率、压力、排量等合适的空气压缩机，这种压缩机与电动机合二为一作为产生压力空气的设备，压力空气通过胶皮管进入电磁比例阀，控制压力空气阶段性进入气动肌肉，使肌肉完成收缩，两条气动肌肉分别连接钢丝，拉动钢丝完成设计要求。示意图如下图图2-6。
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