中国报告大厅网讯，2026年，机械臂行业迎来技术迭代高峰期，其中康复机械臂作为细分领域的核心方向，凭借轻量化、柔性化、精准化的技术突破，成为助力医疗康复产业升级的关键支撑。当前，柔索驱动技术在康复机械臂中的应用占比持续提升，据行业数据显示，2026年柔索康复机械臂市场规模同比增长32%，其中多自由度串并联构型产品因适配性强、穿戴舒适等优势，市场渗透率较上年提升18个百分点。在人口老龄化背景下，脑卒中患者数量呈增长态势，偏瘫等后遗症对高效康复设备的需求日益迫切，柔索串并联康复机械臂凭借其独特的结构优势，有效解决了传统刚性康复机械臂的诸多痛点，推动康复机械臂技术向更贴合人体需求的方向发展。以下是2026年机械臂行业技术分析。

  一、柔索串并联康复机械臂构型设计及技术要求

  《2026-2031年中国机械臂行业市场分析及发展前景预测报告》指出，基于人体上肢生理学结构知识，结合康复机械臂的实际应用需求，在保证机构运动与临床人体患肢康复训练规律一致且穿戴舒适的基础上，提出了一种7自由度柔索串并联康复机械臂，对肩、肘、腕关节进行详细研究。该机械臂结构轻巧、穿戴舒适且操作柔顺，同时能充分保证康复训练的安全性，实现功能性、匹配性和相容性于一体的机构设计要求。

  柔索康复机械臂的核心技术要求明确：机械臂将电机全部安装在支座上，采用柔索串并联结构驱动;可实现肩关节的前屈/后伸运动、外展/内收运动、大臂的旋内/旋外运动、肘关节的前屈/后伸运动、小臂的旋内/旋外运动及腕关节的前屈/后伸运动和外展/内收运动共7个自由度;实现功能性、匹配性和相容性于一体的机构设计;柔索选用易弯曲、无弹性的材料，确保传动的稳定性和精准性。

  (一)康复机械臂整体构型方案及性能指标

  康复机械臂的性能指标直接决定其康复效果，具体要求包括：机械臂的自由度运动范围不得小于人体上肢极限运动范围的一半，保证有较大的工作空间;机械臂控制精确，能精准匹配人体关节运动轨迹;机械臂可平稳运行，避免运动过程中对人体造成冲击;机械臂可实现不同的训练模式，适配不同康复阶段的患者需求。

  机械臂运动范围需严格控制在人体正常手臂的运动范围之内，同时要保证柔索与机构不发生干涉。各个关节的运动范围如下表所示，文中设定上肢自然垂下状态为各关节的初始位置。

  柔索串并联康复机械臂三维模型由电机安装板、电机、支架、肩部跟踪装置、柔索、肩部机构、大臂自旋滑轮组、肘部机构、自动调节臂长装置、小臂自旋滑轮组及腕部机构组成，可充分满足功能性、匹配性及相容性于一体的机构设计要求。其机构简图采用串并联结合的构型，由肩部的固定平台1、运动平台1、大臂滑轮组1、摆臂、小臂滑轮组2、腕部的固定平台2及运动平台2构成。肩部采用3根柔索驱动的并联结构实现肩关节的屈伸运动和外展/内收运动，采用2根柔索驱动的滑轮组实现大臂的旋内旋外运动;考虑结构的稳定性，肘部采用3根柔索驱动实现肘关节的屈伸运动，小臂采用2根柔索驱动的滑轮组实现小臂的旋内/旋外运动，腕部采用3根柔索驱动的并联结构实现腕关节的屈伸运动和外展/内收运动;机械臂柔索通过鲍登线连接至电机，确保动力传输的稳定性。

  (二)康复机械臂的功能性设计

  机械臂的功能性设计核心是适配人体上肢运动特性，实现各关节的精准驱动和灵活运动，具体分为肩部机构、肘部机构和腕部机构三部分设计。

  1. 肩部机构设计：人体肩关节存在3个自由度，且3个自由度的旋转轴交于肩部内一点，导致肩关节结构设计相对复杂。肩部采用嵌套结构实现前屈/后伸、外展/内收2个自由度，采用滑轮组结构实现大臂的旋内/旋外自由度。嵌套结构有2个转动关节，分别由3根连杆相互嵌套进行连接，连杆分别用于实现前屈/后伸运动和外展/内收运动，嵌套的目的是让该机构的空间三维正交的2个转动自由度相互独立，且转轴正交于一点，并将此点作为肩部的转动中心。肩关节嵌套机构采用3根柔索并联的方式进行驱动，不仅增加了机械臂的工作空间，也使机构具有柔索驱动质量小、柔性好的优点，提升患者穿戴康复时的舒适性。

  大小臂滑轮组机构采用2根柔索驱动的滑轮组结构实现大小臂的旋内/旋外自由度，该滑轮组结构由6个定滑轮、2个动滑轮、滑块及滑轨组成。定滑轮主要用于控制柔索的走向，柔索绕过滑块上的动滑轮，一端固定，另一端通过柔索出入口改变柔索的长度，可实现大臂的自旋运动。该滑轮组结构可将柔索的拉力全部转换为使大臂旋转的有效力矩，大大提高了机械臂传动的效率。

  2. 肘部机构设计：肘部仅有1个自由度，肘部两边分别有一组相对转动的连杆来实现肘关节的前屈/后伸运动。为保证肘部运动的稳定性，机械臂采用3根柔索驱动肘部机构，确保肘关节运动过程平稳、精准，避免对患者手臂造成额外负担。

  3. 腕部机构设计：人体上肢的腕关节存在2个自由度，2个自由度的旋转轴交于腕部内一点，通过展伸环、展收杆和末端固定环可实现相互垂直的2个自由度。腕关节同样采用3根柔索并联的方式进行驱动，确保腕部运动的灵活性和精准性，适配康复训练中腕部的各类动作需求。

  (三)康复机械臂的匹配性设计

  康复机械臂的匹配性设计核心是实现与不同臂长和手长的患者完全匹配，扩大机械臂的适用范围，满足大多数患者的康复需求，主要通过自动调节臂长装置和手握杆的微调装置实现。

  1. 自动调节臂长装置：该装置可对机械臂的大小臂长度进行灵活调节，与不同臂长的患者完全匹配。采用电动伸缩杆可使得滑杆1和滑杆2相对移动，实现臂长的自动调节，精准匹配不同臂长患者的需求，避免因臂长不匹配导致的康复训练效果不佳或穿戴不适问题。

  2. 手握杆的微调装置：该装置可对手握杆进行微调，与不同手长的患者完全匹配。通过滑块和滑轨的相对移动来实现手握杆的微调，确保不同手长的患者都能舒适握持，保证康复训练过程中手部的稳定固定，提升训练的安全性和有效性。

  (四)康复机械臂的相容性设计

  康复机械臂的相容性设计核心是实现机械臂与患者上肢自由度的旋转轴线精确对准，减少训练过程中的牵扯感，提高康复的舒适性和安全性，主要通过穿戴装置和肩部跟踪装置实现。

  1. 穿戴装置：穿戴装置可实现穿戴时机械臂和患者上肢自由度的旋转轴线精确对准，包括大小臂穿戴装置和肩部定位装置两部分。大小臂穿戴装置可使不同臂围患者大小臂的旋转轴与机械臂旋转轴实现精确对准，其模型中绑带顶端固定于定位板，两端穿过定位板，电动伸缩杆可使得定位板平移实现定位，拉紧绑带后两端粘贴可实现患者上肢的穿戴，适配不同臂围患者的需求。肩部定位装置可使患者在穿戴机械臂时肩关节自由度的旋转轴与机械臂旋转轴精确对准，电动伸缩杆可实现肩部定位环沿着竖直方向平移，实现肩部穿戴的精准定位。

  2. 肩部跟踪装置：该装置可实时调整肩关节在运动过程中机械臂与人体上肢旋转轴的偏差，通过水平X滑板、水平Y滑板和竖直滑板相互配合，实现肩关节在X、Y和Z这3个方向的平移，确保机械臂始终与人体上肢运动保持同步，进一步提升康复训练的舒适性和精准性。

  二、康复机械臂本体运动学分析

  康复机械臂的运动学分析是实现精准控制的核心，包括正运动学分析和逆运动学分析两部分。由于该机械臂有7个自由度，逆运动学的求解难度较大，且存在多组解，因此将肩、肘及大小臂自由度结合分析，腕关节自由度单独分析，以此达到精确控制机械臂的目的。腕关节仅有2个自由度，其运动学分析与肩关节类似，在此不再赘述。

  (一)康复机械臂正运动学分析

  康复机械臂采用串并联组合的结构，对于肩部的并联结构，仅将肩部前屈/后伸运动、外展/内收运动的2个自由度结合为并联结构，且轴线相互垂直，因此改进D-H法同样适用。根据改进D-H法建立机械臂的D-H坐标系，并得到D-H参数表如下所示，其中α及β分别为肩关节前屈/后伸和外展/内收的关节角度;γ为大臂的旋内/旋外运动的关节角度;θ为肘关节的前屈/后伸的关节角度;γ'为小臂的旋内/旋外的关节角度。

  将康复机械臂的正运动学采用MATLAB编程后，将随机关节角代入正运动学程序中，所得的结果与机器人工具箱fkine函数所得结果一致，验证了正运动学的正确性。

  (二)康复机械臂逆运动学分析

  对于多自由度的机械臂而言，逆运动学求解采用反变换法计算量过大且特别复杂。分析机械臂的结构后，发现大臂的旋内/旋外运动、肘关节的前屈/后伸运动及小臂的旋内/旋外运动的旋转轴线相交，可构成球腕关节，因此结合三轴相交的封闭解思想来求解逆运动学。

  将康复机械臂的逆运动学采用MATLAB编程后，将上述正运动学验证中所得的值代入逆运动学程序中，所得的关节角度值与随机输入的关节角度值相同，验证了逆运动学的正确性。

  三、康复机械臂柔索长度分析

  康复机械臂的关节运动由柔索进行控制，通过柔索长度变化引起关节角度的变化，因此需要建立柔索长度与关节角度的函数关系，同时分析柔索之间的耦合问题，确保机械臂运动的精准性和稳定性。

  (一)肩、腕部柔索并联机构长度分析

  肩部柔索并联结构具有前屈/后伸、外展/内收的2个自由度，因此需将2个自由度结合在一起分析柔索长度变化。腕部柔索长度的求解方法与肩部柔索长度求解方法相同，在此不再赘述。

  (二)大小臂滑轮组柔索长度分析

  根据滑轮组结构，采用几何法分析柔索长度。大臂滑轮组柔索结构中，$$A_{b}$$为动滑轮的初始位置，$$B_{b}$$为动滑轮的任意位置。动滑轮与相邻定滑轮之间的柔索可近似看作与滑轮组中心所构成的三角形底边，大小臂自旋的极限角度为60°，因此将旋转角度分为3个区间，分别计算各区间的柔索长度，$$\gamma_{1m}$$为第2个动滑轮旋转至相邻的第1个定滑轮的位置时所旋转的角度，$$\gamma_{2m}$$为第2个动滑轮旋转至相邻的第2个定滑轮的位置时所旋转的角度。

  (三)肘部柔索长度分析

  肘部采用3根柔索驱动，但右侧2根柔索对称，变化相同，因此采用几何法分析柔索长度。肘部柔索结构中，A、B和C分别为柔索6、柔索7和柔索8在大臂袖环的通过点，D、E和F分别为柔索6、柔索7和柔索8与小臂袖环的交点，G为肘关节的旋转点。

  (四)柔索耦合分析

  在柔索驱动的机械臂串联结构中，柔索驱动前端关节运动时会导致后端关节的驱动柔索发生变化，进而导致关节的附带转动，因此需对机械臂肩部、肘部及过渡柔索进行耦合分析，确保机械臂各关节运动互不干扰。

  1. 肩部柔索耦合分析：肩部的屈伸运动、外展/内收运动会影响驱动大小臂、肘和腕关节的柔索，因此驱动大小臂、肘、腕关节的柔索需发生与肩关节并联柔索相同趋势的变化，才能不影响大小臂、肘关节和腕关节的运动，其变化结果与肩部柔索变化计算方法相同，在此不再赘述。

  2. 肩部和肘部、肘部和腕部过渡柔索耦合分析：肩部和肘部、肘部和腕部的过渡柔索结构相同，大臂和小臂的自旋会影响各自后端过渡柔索发生变化，过渡柔索需发生相应的变化，才能不影响过渡柔索后端各关节的运动。

  3. 肘部柔索耦合分析：肘关节的屈伸运动会影响驱动小臂和腕关节的柔索，因此驱动小臂和腕关节的柔索需发生与肘关节柔索相同趋势的变化，才能不影响小臂和腕关节的运动，其变化结果与肘部柔索变化计算方法相同，在此不再赘述。

  各关节柔索长度分析结果与该关节前端各关节及过渡柔索耦合分析结果相叠加，即为最终的柔索长度变化结果。例如，腕部柔索长度最终变化结果为腕部柔索分析结果与肩部、肘部及过渡柔索耦合分析结果叠加，其他关节柔索变化结果与腕部柔索变化计算方法相同，在此不再赘述。

  四、康复机械臂运动仿真分析

  采用Robotic Toolbox在笛卡尔空间中对机械臂的直线轨迹和锥形螺旋线轨迹进行运动仿真分析，验证机械臂结构设计的合理性、控制的精确性及运行的平稳性，为机械臂的轨迹规划奠定基础。

  (一)直线轨迹仿真

  选择从康复机械臂自然状态到工作空间中的某一点规划出一条直线，模拟人体上肢抬臂动作。随机选择工作空间中的一点，采用ctraj函数可拟合出机械臂末端(腕部)初始位置到该点的直线轨迹。

  采用trinterp函数对机械臂自然状态到工作空间中的某一点之间的姿态进行插补，之后通过ctraj函数和trinterp函数可从轨迹两点之间离散出中间轨迹点的位置和姿态。通过离散点采用逆运动学求得各点所对应的关节角度值，采用柔索长度分析结果求得各点所对应的柔索长度变化量，采用三次样条插值法拟合出关节角变化曲线和柔索长度变化量随时间变化曲线。

  从关节角变化曲线可以看出，康复机械臂各个关节角变化连续平滑，关节角的角度值与训练动作起始点和终止点所对应的关节角度吻合，能够完成设计的期望康复训练动作;从柔索长度变化量曲线可以看出，各关节的柔索长度变化量曲线同样连续平滑，与关节角变化精准对应，确保机械臂运行平稳。

  (二)锥形螺旋线轨迹仿真

  试验研究表明，周期性运动比线性运动可实现更高效的康复训练。为达到更加高效的康复训练效果，在机械臂末端运动的三维空间内采用锥形螺旋线轨迹作为人体上肢训练动作。康复训练时，可根据训练周期从零高度渐变锥形螺旋线的极限高度，达到各关节角运动范围规律增加的目的，不仅适合中后期康复阶段的患者，也适合处于初始康复阶段的患者。

  在笛卡尔空间中，采用MATLAB绘制出锥形螺旋线轨迹曲线图，该轨迹包含3个周期，每个周期的位置和姿态插补方法与直线轨迹所用方法相同，同样绘制出关节角变化曲线和柔索长度变化量随时间变化曲线。

  从关节角变化曲线可以看出，机械臂关节角呈现出相应的周期性变化，且关节角的运动幅度规律性变大，运动速度规律性加快，说明机械臂做渐变运动幅度和速度的循环往复运动，符合机械臂末端锥形螺线的轨迹特征;从柔索长度变化量曲线可以看出，柔索长度变化量曲线平滑，与关节角变化相对应，并呈现出一定的周期性，进一步验证了机械臂控制的精确性和运行的平稳性。

  通过直线轨迹和锥形螺旋线轨迹运动仿真分析，可得关节角及柔索长度变化量的连续平滑曲线图，关节角度值与训练动作对应的角度值相吻合，柔索长度变化量与关节角变化相对应，验证了康复机械臂控制精确且可实现不同的训练模式，同时证明机械臂结构设计合理，为机械臂在笛卡尔空间中的轨迹规划奠定了基础。

  五、全篇总结

  本文围绕2026年机械臂行业技术创新趋势，聚焦康复机械臂细分领域，设计了一种7自由度柔索串并联康复机械臂，完成了构型设计、运动学分析、柔索长度分析及仿真验证等一系列研究，核心成果及结论如下：一是该机械臂实现了功能性、匹配性及相容性于一体的设计要求，通过自动调节臂长、手握杆微调及穿戴定位等装置，适配不同体型患者的需求，克服了传统刚性串联康复机械臂机构笨重、人体关节旋转轴与机械臂关节旋转轴难以精确对准的缺点，提升了康复训练的舒适性和安全性;二是建立了机械臂的正逆运动学模型，通过MATLAB编程验证了模型的正确性，同时建立了各部分柔索长度与关节变量的函数关系，分析了柔索耦合问题，实现了通过柔索长度变化对机械臂各关节运动的精准控制;三是通过直线轨迹和锥形螺旋线轨迹的仿真分析，验证了机械臂结构设计的合理性、运行的平稳性及控制的精确性，可实现不同模式的康复训练，为机械臂在笛卡尔空间中的轨迹规划提供了坚实的理论基础和实践支撑。该柔索串并联康复机械臂的设计与研究，契合2026年机械臂行业轻量化、柔性化、精准化的技术发展方向，对推动康复机械臂技术的迭代升级和临床应用具有重要意义。