一種助走外骨骼

王鎰杰+劉耀輝+辛紹杰+聶瑞宸

上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械學(xué)院

【摘 要】如今外骨骼研究風(fēng)頭正勁，人們希望將人類變身為機(jī)器人，可以不增加負(fù)重卻可以提升運(yùn)動(dòng)能力，可以“飛檐走壁”。目前大部分外骨骼都需要依靠馬達(dá)和電池組供電作為動(dòng)力源，還有的通過(guò)采用空氣壓縮系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)人類行走能耗的降低。本文設(shè)計(jì)了一種用于體育醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域，特別是無(wú)需使用外部電源，而是將原本人行走時(shí)自身所需要消耗的重力勢(shì)能以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，以幫助在下一次動(dòng)作時(shí)將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為生物能，實(shí)現(xiàn)人類行走更加輕松省力。

【關(guān)鍵詞】負(fù)重；外骨骼；能量轉(zhuǎn)化；非循環(huán)

引言

直立行走—人類高度進(jìn)化的表現(xiàn)，是可以通過(guò)人工技術(shù)得以改進(jìn)，然而采用電池組或者是利用空氣壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能耗的降低是很不方便的，因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：第一，電池組或是空氣壓縮系統(tǒng)本身自重就很重，將其安裝到人的身上，大部分能量被消耗到繁重的機(jī)器上，達(dá)到的效果可能反而會(huì)適得其反。第二，電池組不環(huán)保，不可循環(huán)，助走距離有限，不適用于長(zhǎng)時(shí)間行走的人們，使得其目標(biāo)人群顯著縮小到智能用于康復(fù)治療。第三，電池組和空氣壓縮系統(tǒng)對(duì)于非循環(huán)動(dòng)作會(huì)有怎樣的作用，比如當(dāng)人們做出站立、轉(zhuǎn)身、站起、坐下等動(dòng)作時(shí)，它們也許達(dá)不到節(jié)省能耗的效果。該裝置不僅可以對(duì)循環(huán)動(dòng)作起到助力負(fù)重的作用，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)非循環(huán)動(dòng)作也起到相應(yīng)的效果。例如人們站立、轉(zhuǎn)身，站起、坐下等動(dòng)作時(shí)，同樣達(dá)到節(jié)省能好的效果。同時(shí)該裝置目標(biāo)人群廣，將會(huì)適用于行走困難者例如：老年人、或是有不完全性脊髓損傷，或是多發(fā)性硬化癥的人和長(zhǎng)途跋涉的軍事人員 。

1.工作原理及設(shè)計(jì)方案

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)與大多數(shù)肌肉不同，小腿肌肉的“啟動(dòng)”不是通過(guò)變短或收縮，而是在需要的時(shí)，為跟腱的伸展和反沖提供剛性連接，彈簧抓住了人行走時(shí)產(chǎn)生的勢(shì)能并將其儲(chǔ)存利用。

該裝置所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：為有效的幫助行走困難者例如：老年人、或是有不完全性脊髓損傷，或是多發(fā)性硬化癥的人和長(zhǎng)途跋涉的軍事人員，提供一種助走外骨骼，將人行走時(shí)自身所需要消耗的重力勢(shì)能以彈性勢(shì)能的形式儲(chǔ)存起來(lái)，以幫助在下一次動(dòng)作時(shí)，將彈性勢(shì)能轉(zhuǎn)化為生物能，實(shí)現(xiàn)人類行走更加輕松省力。 外骨骼設(shè)計(jì)圖如圖（1）所示：

2.關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該裝置所采用的技術(shù)方案是：一種負(fù)重助走外骨骼包括骨骼框架本體、能量轉(zhuǎn)換裝置、助力緩沖裝置、綁帶等固定裝置。

該裝置主要包括：外骨骼本體、綁腿、直線軸承、彈簧、傳動(dòng)桿、直線軸承、滾珠

2.1骨骼框架本體

通過(guò)人機(jī)分析，設(shè)計(jì)出合適的最合適的骨骼大小，以實(shí)現(xiàn)適合大部分人群，同時(shí)設(shè)計(jì)有微調(diào)單元，可調(diào)節(jié)的綁帶和固定扣可以實(shí)現(xiàn)將該骨骼舒適合理的與人體完美的結(jié)合，以減少甚至消除因長(zhǎng)時(shí)間佩戴外骨骼而帶來(lái)的不適感。

2.2能量轉(zhuǎn)換裝置

能量轉(zhuǎn)換裝置剛度很強(qiáng)的傳力桿和傳力帶、能夠?qū)⒅亓?shì)能傳遞到助力緩沖裝置，同時(shí)傳力桿的末端安裝有萬(wàn)向走珠，防止因突出的傳動(dòng)裝置而發(fā)生將人們絆倒的情況。

2.3助力緩沖裝置

助力緩沖裝置與外骨骼相連，位于腳底，其作用在于助力與緩沖，是一中彈性較強(qiáng)的材料，走路是指在一次循環(huán)動(dòng)作中（所謂的循環(huán)動(dòng)作是指一腳初次觸地，直到同樣的腳再次觸地的過(guò)程），走路是由站立支撐及擺動(dòng)期兩個(gè)階段形成，當(dāng)一腿進(jìn)入站立期時(shí)，另一腿則處于擺動(dòng)期。在走路過(guò)程中，一只腳是在人體另一只腳處于站立期時(shí)完成向前向后擺動(dòng)的動(dòng)作的，之后腳會(huì)落地面洗手沖擊力。該緩沖助力裝置在將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能的同時(shí)起到了緩沖沖擊力的效果，從而使人體需要處理的沖擊力減小，這樣有效的幫助長(zhǎng)期的涉足者減少疲勞，從而行走更遠(yuǎn)的距離。

經(jīng)研究實(shí)驗(yàn)，該裝置可以幫助減少人體行走時(shí)14%的能耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣壓縮系統(tǒng)6%的能耗，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，該裝置重量?jī)H有300～500g，不會(huì)給行走帶來(lái)額外的負(fù)重，不然靠它節(jié)省的力氣不就白費(fèi)了。

3.所述負(fù)重助走外骨骼具體運(yùn)行方式為

以一個(gè)循環(huán)走路或者跑步動(dòng)作為例（所謂的循環(huán)動(dòng)作是指一腳初次觸地，直到同樣的腳再次觸地的過(guò)程），在一個(gè)循環(huán)動(dòng)作中，當(dāng)一只腳處于站立期，則另一只腳處于擺動(dòng)期，在擺動(dòng)腳結(jié)束落地進(jìn)入站立期的同時(shí)，傳動(dòng)桿在重力的作用下被頂起，滾珠會(huì)與地面有一個(gè)相對(duì)的滑動(dòng)（防止人在走路時(shí)因裝置與地面摩擦過(guò)大而絆倒），彈簧在傳動(dòng)桿的作用下被拉動(dòng)，導(dǎo)致彈簧被拉伸，一個(gè)循環(huán)動(dòng)作完成，該過(guò)程中重力勢(shì)能被儲(chǔ)存轉(zhuǎn)化為彈性勢(shì)能，同時(shí)吸收了腳在落地的一瞬間產(chǎn)生的沖擊，該腳進(jìn)入下一個(gè)擺動(dòng)期的同時(shí)儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能被釋放，該裝置同時(shí)承擔(dān)了人的一部分體重，緩沖了人行走時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)等的沖擊力，減少了人走路時(shí)的能耗，而其環(huán)保，可循環(huán)無(wú)限制，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)便與實(shí)現(xiàn)，該裝置采用直線軸承，減小了傳動(dòng)桿與外骨骼本體的摩擦和噪音，減少了能量的損失，增強(qiáng)了該機(jī)構(gòu)的實(shí)用性。

該裝置同時(shí)適用于非循環(huán)動(dòng)作，只要人體與地面接觸就會(huì)有重力勢(shì)能做工儲(chǔ)存為彈性勢(shì)能，在進(jìn)入運(yùn)動(dòng)狀態(tài)前彈性勢(shì)能會(huì)釋放，原理與循環(huán)動(dòng)作完全相同，同時(shí)該裝置重量?jī)H有300-500g，不會(huì)給行走帶來(lái)額外的負(fù)重。

4 .結(jié)束語(yǔ)

該裝置適用人群廣，可適用于將會(huì)適用于行走困難者例如：老年人、或是有不完全性脊髓損傷，或是多發(fā)性硬化癥的人和長(zhǎng)途跋涉的軍事人員，在未來(lái)具有很強(qiáng)的推廣性。同時(shí)，該發(fā)明可以幫助減少人體行走時(shí)14%的能耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣壓縮系統(tǒng)6%的能耗，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，，很好的解決目前外骨骼存在的問(wèn)題，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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