可穿戴式機械助力腿的研究與設計

馬 超，安愛博，王 浩

（遼寧工業大學 機械學院，錦州 121001）

可穿戴式機械助力腿的研究與設計

馬 超，安愛博，王 浩

（遼寧工業大學 機械學院，錦州 121001）

提出了一種可穿戴式機械助力腿的設計方案與結構。該機械助力腿主要由鋁合金型材和樞軸聯接組成“類外骨骼”機架，由氣缸、氣泵、電磁閥完成動力輸出，由單片機控制系統和氣缸的磁環來完成自動控制，該裝置結構簡單、成本低廉、通用性好，具有一定的推廣價值。

可穿戴式機械助力腿；“類外骨骼”機架；單片機

0　引言

下肢外骨骼是一種新型的具有可穿戴性能的機械裝置，從人機一體化智能系統理論的觀點出發，它是一種人主機輔的人機一體化系統[1]。這種技術在許多領域有著良好的應用前景，在軍事領域，已開發出可用于單兵作戰的外骨骼機器人，幫助提升士兵的載彈量和運動能力；在民用領域，可用于病人復健、旅游、救災等等。

本文所研究的是一種結構簡單、經濟實用的可穿戴式機械助力腿，通過桿機構的設計，將受力點作用在機械腿上，可令使用者在操作過程中，盡可能的減少體力損耗，也能防止在工作過程中出現勞動損傷。該設計可應用于物流、醫療、軍用、保健等多個行業，前景十分廣闊。

1　可穿戴式機械助力腿的總體設計

1.1設計目的

目前已有的“助力機械”多采用電動或者液壓裝置作為動力機構，其造價昂貴，結構復雜，很多“助力機械”還需要加入價格不菲的檢測設備，整體的造價很高，設備的維修、保養等也很困難，這就大大限制了其使用范圍。目前此類設備多局限在軍用、科研方面，在民用尤其是快遞、物流運輸方面的應用極少。因此，對“助力機械”的研究制作重點就是設計一種結構簡單、價格低廉、操作方便、安全可靠的被動式機械，此外還應達到以下設計目標：

1）機構體積要盡可能的精巧，要節省空間，還應便于承載貨物；

2）增大標準件、通用零件的使用率，減少非標零件的使用，從而減小采購的難度，降低制造、維修成本；

3）考慮到氣動的功率限制，至少要設備能夠提供0.5～1倍的助力功能；

4）“助力機械”與人體的接合要強調舒適性和安全性。

1.2總體設計方案

可穿戴式機械助力腿的方案如圖1所示，主要由機械部分、動力部分、控制部分和安全綁帶組成。

圖1　可穿戴式機械助力腿方案簡圖

1）機械部分的機架主體全部由40×40鋁合金型材聯接而成，其結構簡單、強度較高、通用性好。在髖部、膝部、踝部，由于需要形成相對轉動，因此采用了鋁合金樞軸來進行聯接；

2）動力部分由大功率蓄電池、微型氣泵、電磁閥和氣缸組成。大功率蓄電池、微型氣泵、電磁閥安裝在機械腿髖部后方的支架上，氣缸安裝在機械腿的大腿部和小腿部，在氣泵的帶動下伸出或者縮回，從而帶動使用者的腿部運動；

3）控制部分采用單片機作為控制器，通過手部的開關來完成程序的切換，通過氣缸上的磁環來檢測助力腿是否到達預定位置；

4）為了方便操作者的穿戴，在腰部設置了安全綁帶，在腿部安裝了粘扣。安全綁帶和粘扣均可手動調節，身高在170cm～180cm之間，體重在55kg～80kg范圍內的使用者均可視自身條件調節使用（如圖2所示）。

圖2　可穿戴式機械助力腿實物圖

1.3工作原理

為了提升機械助力腿的功能，該機械助力腿設定了三個運行程序：直立、步行、登樓。通過在每個氣缸的最短位置（完全縮回）、中間位置和最長位置（完全伸出）設置檢測磁環，利用磁環檢測的信號來完成程序的控制，其中中間位置的磁環可以根據使用者的身體狀況進行調整。以步行狀態為例，其工作過程如下：

1）電磁閥控制左腿上下氣缸伸出，右腿上下氣缸縮回；

2）當左腿氣缸的無桿腔極限位置和右腿氣缸的中間極限位置信號到位后切換程序；

3）右腿氣缸伸出，左腿氣缸縮回；

4）當右腿氣缸的無桿腔極限位置和左腿氣缸的中間極限位置信號到位后切換回原程序。

在上述程序的循環作用下，機械助力腿的左右兩腿就可以完成交替的伸縮，從而模擬人類行走的步態。登樓狀態的程序控制方案與步行基本相同，僅是將中間位極限信號更改為有桿腔極限位置信號。直立狀態為程序的初始狀態，單片機接通電源后，所有氣缸均完全伸出，從而保持直立狀態。

2　結構設計

2.1氣缸聯接件的設計

氣缸聯接件的主要作用是將氣缸的兩個端部固定在鋁合金型材上。一端與氣缸的Y型接頭聯接，另一端要與氣缸的尾孔聯接，另外還要考慮要在此處形成轉動副以及防止結構的干涉等因素。因此在設計中采用階梯設計，并在底部制作長條孔，用普通螺栓配T型螺母進行聯接；在中心采用螺紋孔配塞打螺絲來形成轉動副。

2.2樞軸的設計

樞軸是機械腿能夠形成轉動聯接的重要零件，在原設計中，樞軸底部設計為一個平面，與型材的端面直接接觸，這就形成兩個平面接觸而無周向定位，樞軸由于預緊不夠或聯接螺栓松動就會轉動失效；樞軸的轉動副完全由螺栓桿和樞軸孔的間隙配合形成，螺栓一方面要承受載荷造成的剪切力，另一方面又要承受轉動而造成的磨損，降低了螺栓的強度。在改進設計中（如圖3所示），樞軸的底面增加了定位止口，與型材截面的槽口形成穩定的周向定位；聯接螺栓擰緊在下方樞軸的螺紋孔中，安裝在上方樞軸的軸承上，以形成轉動副。這樣的設計減小了螺栓轉動中造成的磨損，經實驗證明，這種結構設計更穩定也更可靠。

圖3　樞軸結構示意圖

2.3零件的裝配

采用SolidWorks三維實體建模軟件，完成了各個零件的結構設計并采用自下而上的裝配方式，完成機械助力腿的整機裝配，裝配效果如圖4所示。

圖4　可穿戴式機械助力腿裝配圖

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3　設計中存在的不足

1）采用的微型氣泵功率較小，助力能力有限；

2）樞軸只能完成平面轉動，空間轉動能力較弱，在使用時需要操作者自身對機構的平衡性進行調整；

3）可增加上肢助力設計，拓展功能。

4　結束語

設計了一種實用、便利、高效的被動式機械腿助力機構，該助力腿采用鋁合金型材作為機架，結構簡單、制造成本低、互換性好。該機構以氣泵為動力源，用氣缸帶動機械腿完成各種動作。使用者可根據自身的條件調整安全綁帶的位置、松緊，進行適應性調節，使用方面，運行可靠，能夠在連續前進過程中實現機械助力。在2015年遼寧省普通高等學校本科大學生機械創新設計大賽中，該機構獲得一等獎。

[1] 陳鷹,楊燦軍.人機智能系統理論與方法[M].杭州:浙江大學出版社,2006.

[2] 孫 桓.機械原理[M].西安:高等教育出版社,2006.

[3] 濮良貴.機械設計[M].西安:高等教育出版社,2006.

[4] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2005.

Research and design for wearable mechanical legs

MA Chao, AN Ai-bo, WANG Hao

TH122

B

1009-0134(2016)02-0145-02

2015-12-09

遼寧省普通高等教育本科教學改革研究一般項目（UPRP20140724）

馬超（1981 -），男，遼寧朝陽人，講師，碩士，研究方向為機械設計。