随着全球老龄化问题的加剧和中风发病率的上升，超过70%的中风幸存者存在上肢运动功能障碍，给家庭和医疗系统带来了沉重负担[1]、[2]。康复训练对于功能恢复至关重要，但传统的手动疗法面临专业治疗师短缺的问题[3]；而依赖电机或液压驱动的刚性外骨骼机器人存在重量大、顺应性差以及二次受伤风险高等固有局限性[4]、[5]。这些缺点使得它们无法满足急性期、亚急性期和慢性期的个性化康复需求。相比之下，柔性上肢外骨骼机器人以其高顺应性、轻量化设计和人性化交互特性成为解决这些挑战的先进方案[6]、[7]、[8]、[9]。它们不仅模仿了人类肌肉的自然运动，还能适应个体身体差异，具有革命性康复护理的巨大潜力[10]、[11]、[12]。
现有的柔性康复技术种类繁多，但其局限性凸显了关键的研究空白，如下所述：(1) 磁流变和可变刚度执行器：Li等人[13]开发了一种具有强抗干扰能力的磁流变柔性关节，但其输出力不足以满足中等强度的主动训练需求。Yang等人[14]提出了一种可适应负载变化的非线性可变刚度膝关节执行器，但仍无法满足手腕和肘关节的精确角度控制要求。(2) 形状记忆合金（SMA）和扭绞弦执行器：Lee等人[15]设计了一种使用编织SMA的康复手套，具有良好的贴合性，但响应速度慢且疲劳寿命有限。Dragusanu等人[16]基于扭绞弦执行器开发了一种三自由度手腕外骨骼，可实现多方向运动，但由于肌腱松弛导致控制精度较低。(3) 气动执行器（主流柔性驱动方式）：分为纤维增强型、风箱型和折纸启发型[17]、[18]——这种分类得到了经典研究的验证[17]、[19]：风箱型和折纸启发型执行器：Ang等人[20]使用波纹管执行器进行手腕康复，可实现复杂运动，但输出力小且结构稳定性差。折纸启发型执行器[21]虽然变形大，但驱动能力弱，不适合承重康复。Andrikopoulos等人[22]设计了一种带有四个Festo气动肌腱的手腕外骨骼，但由于缺乏解耦机制，导致手腕屈伸与前臂旋转之间的运动耦合。Tomoki等人[23]提出了一种用于肘部训练的编织McKibben肌肉执行器，输出力大但抗扭转能力差。嵌入式纤维增强执行器：东芝公司[24]开发了一种单组纤维缠绕执行器，但轴向伸长和扭转相互耦合，影响了精确控制。Kota等人[25]优化了缠绕角度以实现弯曲运动，但单层纤维结构导致侧向刚度不足[17]、[18]。
值得注意的是，当前研究存在三个主要局限：首先，大多数研究仅关注单关节康复（手腕或肘部），忽视了手腕-肘关节的协作训练——尤其是肘部旋前/旋后和手腕伸展/屈曲，这些动作对日常活动至关重要，但很少被研究[26]、[27]。其次，纤维增强执行器存在固有的权衡：编织套管结构输出力大但方向控制能力差，而嵌入式纤维结构虽然柔性好，但结构稳定性不足[17]、[18]。第三，多关节训练过程中手腕和肘部运动之间的耦合问题尚未得到有效解决，限制了控制精度。这些未解决的问题迫切需要一种协作的、解耦的柔性康复解决方案。
结合编织套管约束执行器和嵌入式纤维增强执行器的动机在于它们的互补优势：编织套管结构在输出力和抗疲劳性方面表现优异，符合肘关节对大范围、高负载运动的需求；嵌入式纤维结构则提供精确的方向控制和高灵活性，满足手腕关节对小范围、高精度运动的要求[22]、[25]。通过整合这两种设计，本研究旨在解决力量输出与运动精度之间的权衡问题，并解决手腕-肘部协作康复中的耦合问题。
本研究开发了一种基于关节解耦策略的手腕-肘部协作式柔性康复机器人。主要贡献如下：(1) 结构创新：设计了一种采用双向对称凯夫拉纤维缠绕和双层尼龙限应变层的复合结构的手腕关节执行器，实现了扭转抑制与高灵活性之间的平衡，并提出了基于关节解耦策略的新型手腕-肘部协作式柔性康复配置；(2) 控制创新：提出了基于F-P-δ静态模型的前馈PID解耦控制策略，以解决手腕-肘部运动耦合问题；(3) 系统创新：构建了一个涵盖肘部旋前/旋后和手腕伸展/屈曲动作的手腕-肘部协作式柔性康复系统；(4) 通过静态特性实验、运动学/动力学建模和原型测试验证了机器人的性能。
这项研究不仅填补了手腕-肘部协作康复领域的空白，还为个性化康复提供了可靠的技术解决方案，促进了柔性外骨骼机器人的临床应用。
