丝杆传动在下肢康复外骨骼机器人上的应用

摘要

丝杆传动以其高精度与高刚度的核心特性，已成为医疗康复机器人领域的关键传动方式。本文系统解析梯形丝杆、滚珠丝杆和行星滚柱丝杆的结构原理与技术特征，结合典型医疗应用场景验证其临床价值。研究表明：梯形丝杆的自锁特性在安全敏感场景仍具不可替代性;滚珠丝杆具备卓越的运动精度与传动效率；行星滚柱丝杆展现超强负载能力。未来发展趋势聚焦智能状态监测系统、纳米复合材料应用以及模块化设计理念的深度融合，这些创新将推动医疗机器人传动系统向更高可靠性、更强适应性的方向演进。

关键词： 丝杆传动  下肢  康复 外骨骼

一、前言

在医疗康复机器人领域，传动系统的选型直接决定着治疗过程的安全性与最终疗效的精准度[1]。现代康复设备主要采用四类传动方案，各自展现独特的技术特性与应用价值：谐波减速传动基于金属弹性体的精密变形原理，在关节功能重建设备中实现超精细的角度控制能力，其运动精度显著优于传统传动方式，特别适合需要重复定位的康复训练场景；同步带传动系统依托柔性传递机制，凭借优异的噪声控制表现，成为儿科康复中心及神经敏感患者治疗环境的理想选择；直线电机驱动技术通过电磁直驱消除机械回程间隙，在神经功能康复领域展现出卓越的微动作控制能力，满足中枢神经重塑对运动轨迹的严苛要求。

相较于其他传动方案，丝杆传动系统具备三项核心竞争优势：首先，经特殊优化的接触几何学设计使能量传递效率达到行业领先水平，大幅降低设备运行能耗；其次，精密研磨工艺与严格的形位公差控制确保了微米级运动稳定性，为精准治疗提供基础保障；更重要的是模块化密封结构创新性地解决了医疗环境的核心矛盾——既满足手术室无菌操作规范，又保障传动系统在体液飞溅等复杂工况下的持久可靠性。这些技术特质共同奠定了丝杆传动在骨科复位机器人、放射治疗平台等高精度医疗装备中的核心地位，其独特的机电一体化特性正持续推动康复医学工程向智能化、精准化方向演进。

二、典型丝杆结构介绍

1、梯形丝杆

梯形丝杆作为机械传动领域的重要解决方案，凭借其独特的结构特点和自锁性能，在医疗康复领域发挥着不可替代的作用。该传动系统主要由梯形螺纹丝杠、铜合金螺母组件和预紧力调节机构三部分组成。其自锁功能的实现基于精妙的摩擦学原理，当螺纹升角控制在特定范围内时，系统能够依靠自身摩擦力实现可靠的机械自锁。

在医疗康复领域，梯形丝杆的自锁特性被广泛应用于多个重要场景。脊柱矫形设备利用这一特性确保治疗过程中的体位安全，康复训练设备通过它实现精确的阻力调节，而手术辅助机器人则借助其高精度特性完成精细的组织定位[2]。与滚珠丝杆相比，医疗级梯形丝杆经过特殊表面处理，在保持良好传动性能的同时，更能满足医疗设备对生物相容性的严格要求。这种平衡了功能性和安全性的特点，使其成为医疗康复设备传动系统的理想选择。

2、滚珠丝杆

滚珠丝杆作为现代精密传动系统的核心部件，其创新的结构设计和卓越的性能特点使其在医疗康复领域展现出独特的技术优势[3]。这种高效能的传动装置主要由四个关键部件组成：采用高强度合金钢材料并经过特殊硬化处理的螺纹丝杠，具有极高尺寸精度的循环滚珠组件，由耐磨工程塑料制成的回流器，以及可精确调节预紧力的双螺母机构。这些部件的协同工作保证了传动系统的高精度和长寿命。从结构设计来看，滚珠丝杆根据滚道几何形状的差异，主要发展出三种典型构型：哥特式拱形滚道设计（接触角45°）主要应用于要求高刚性的医疗设备场景；双圆弧滚道（接触角60°）专门针对需要超精密定位的医疗设备研发；而结构相对简单的V型滚道则多用于对成本敏感的经济型解决方案。这种多样化的构型设计使得滚珠丝杆能够满足医疗康复领域不同应用场景的特定需求。

3、行星滚柱丝杆

行星滚柱丝杆系统的核心结构包含五个关键组件：高精度螺纹丝杠作为主要传动部件，其表面经过特殊硬化处理；行星式分布的圆柱滚柱组通常由6-8个精密滚柱组成，均匀分布在丝杠周围；特制滚柱保持架确保滚柱运动的稳定性；预紧力可调的同步齿轮组实现精确的传动比控制；集成式回流通道则保证了润滑系统的可靠性。这种模块化设计不仅便于维护，还能根据具体应用需求进行灵活配置。根据载荷传递方式的不同，行星滚柱丝杆主要发展出三种典型构型：标准行星式适用于常规负载场景，差动行星式专为高负载工况设计，而反向行星式则针对空间受限的特殊应用。

该技术的卓越性能源于多项创新设计突破。首先，多滚柱并联承载结构使接触面积显著提升，大幅提高了系统的负载能力。其次，经过优化的螺旋角设计实现了轴向和径向载荷的完美平衡，确保传动过程的稳定性。此外，纳米级表面处理技术有效降低了摩擦系数，延长了使用寿命[4]。这些技术创新共同造就了行星滚柱丝杆高精度、高可靠性的特点。在医疗康复领域，行星滚柱丝杆技术展现出独特的应用价值。在人形康复机器人中，微型化的行星滚柱丝杆被用于膝关节驱动模组，在有限空间内实现大扭矩输出。脊柱助力外骨骼则充分利用其快速响应特性，完成精确的动态助力。特别值得一提的是，最新一代护理机器人通过采用紧凑型差动结构，成功复现了人类手臂复杂的多自由度运动模式。这些应用不仅验证了技术的可行性，更推动了医疗康复设备的性能提升。随着技术的持续发展，行星滚柱丝杆必将在医疗康复领域发挥更加重要的作用。

三、总结

在医疗康复机器人领域，三种典型丝杆传动技术各具特色：梯形丝杆凭借结构简单、成本低廉和可靠自锁的特性，在承重支撑类设备（如电动病床）和基础康复训练器中保持不可替代的地位；滚珠丝杆以较高的传动效率和传动精度优势，主导着关节驱动和精密定位模块；而行星滚柱丝杆则因其更强的负载能力和超长寿命，在全身外骨骼动力系统中崭露头角。当前亟待突破的技术瓶颈包括：微型化行星滚柱丝杆的批量化生产工艺、适用于人体接触的静音型梯形螺纹副材料，以及面向柔性康复训练的变刚度丝杆传动机构设计[5]。这些关键技术突破将直接影响下一代康复机器人的安全性、舒适性和耐久性。

四、参考文献

[1] 国家卫健委. 康复医疗机器人临床应用指南[Z]. 2025.
[2] ‌何达，张琦，赵经纬‌．机器人辅助脊柱手术的应用现状与发展前景[J]．中华外科杂志，2024, 62(3): 177–181.

[3] 滚珠丝杠应用实例，《金属加工》，2009年第5期. 
[4] 李航等. 行星滚柱丝杆疲劳机理研究[J]. 机械工程学报, 2024, 60(8): 45-53.
[5] ‌智能外科系统研究组‌．医疗具身智能系统在多模态感知中的技术突破[J]．人工智能与机器人研究，2025, 12(1): 45–52