脑卒中康复进程中,恢复期训练在患者达到完全康复进程中有着至关重要的作用。恢复期患者上肢肌力可克服自重,但不可进行负载运动;具主动运动能力,对自身运动有一定控制能力,但仍需专业训练。但现有恢复期康复专业机构(社区康复医院)少、专业康复人才少、具针对性的康复设备少,使得恢复期患者定期定时到专业机构在康复师指导下进行康复很难实现,因此急需针对恢复期患者的机械辅助康复设备来减少对康复师的依赖。本文基于上肢骨肌系统知识和机械设计方法研发了五自由度上肢主动式外骨骼力量训练器,并进行了实验研究,主要工作成果如下:1)五自由度上肢主动式外骨骼力量训练器的开发遵循产品开发/设计的一般规律,基于用户需求,通过质量功能展开(质量屋)识别核心工程特性需求。采用公理设计理论,全面分析训练器的功能需求,基于独立性公理,寻求与需求相对应的最简工程实现方案,明确设计目标、设计顺序。针对设计目标,根据设计顺序,展开训练器结构的方案设计。2)根据人体上肢骨肌系统、运动学规律,对训练器进行详细机械结构设计,包括运动跟随机构及驱动系统、阻力加载系统,实现对患者上肢的运动跟随及阻力加载。对关键承重部件进行力学分析,对训练器进行运动学分析及运动仿真(基于CREO软件),从理论上证明了训练器的设计合理性、结构可靠性、测量准确性、运动可行性。3)根据训练器信号采集与反馈系统需求,搭建与训练器机械结构配合的集中控制式硬件系统和基于客户端/本地数据库模式的软件系统,实现了对患者上肢运动控制能力的训练。通过旋转编码器采集各关节运动数据,并通过游戏图像展示,使用采样频率高于人眼对图像的可感知频率,从而实现对运动的实时追踪与显示。针对患者恢复日常活动能力的需求,设计了多样化训练游戏;针对不同关节,在训练游戏中设置多种训练模式,如单关节训练模式、多关节水平面复合训练模式,以增强患者的训练表现。通过自定义训练时长、调节弹簧阻力训练等级,实现了训练难度自定义调节。训练结束,康复师可得到患者训练报告,便于及时调整改进训练方案。设计了简单易懂的图形化操作界面,使训练器的操作简单直观,方便使用。4)对训练器上臂及前臂弹簧提供的阻力训练等级及范围进行标定,为康复师制定训练方案提供直观可行的量化数据参考。进行了重复性实验,验证了训练器的运动跟随能力。运动跟随能力及数据采集能力分别通过均方根误差(RMSE)和标准差(SD)量化评估。实验结果表明,训练器具备采集上肢各关节旋转运动范围的能力,运动轨迹跟踪实验中RMSE小于2.5mm,SD小于2.34mm。综上,本文设计的上肢外骨骼五自由度力量训练器可实现上肢五自由度力量训练及运动控制能力训练,提供难度可调的训练方案,并在患者、康复师、训练器之间建立信息传递闭环回路,为激励患者训练、辅助康复师更新治疗方案提供可行途径。