一種下肢機械助力服設備的設計

楊帆+趙建+趙宇+張華鵬

摘 要：文章設計了一種普通民用和醫(yī)療康復用的下肢機械助力服設備，并描述了其發(fā)明目的、具體結構和工作原理。文章對于貼合人體的結構進行了改進，使得穿戴者穿著更加舒適，并采用錐齒輪傳動從而改變電機放置方向，使得整個設備更為緊湊。在滿足助力服助力功能的前提下，突出了輕便、成本較低、能耗較少的特點。

關鍵詞：下肢助力服；醫(yī)療器械；民用設備

中圖分類號：TH122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0094-03

Abstract： This paper designs a kind of lower limb mechanical booster clothing equipment for general civil and medical rehabilitation， and describes its invention purpose， concrete structure and working principle. In this paper， the structure of the fitting body is improved to make the wearer more comfortable， and the bevel gear drive is used to change the direction of the motor and make the whole equipment more compact. On the premise of satisfying the function of booster service， it highlights the characteristics of portability， low cost and less energy consumption.

Keywords： lower extremity booster suit； medical device； civilian equipment

引言

機械助力服類似的設備是從1963年美國外彈道實驗室的Zaroodny發(fā)表的報告開始萌芽的。早期階段的代表性機械外骨骼是美國通用電氣公司的Hardiman，但是由于技術原因，該設備只實現(xiàn)了一只手臂的力量提升[1]。21世紀以來，以美國、日本為首的外骨骼研發(fā)機構是該類設備的主要推動力。美國的成果產(chǎn)品大多立足于軍隊裝備，著眼于大幅度提升人體機能，所以存在巨大耗能的問題，能源供應問題一直沒辦法解決[2]。日本的骨骼服項目有HAL系列“混合輔助腿”[3-4]、本田公司的助力機械腿[5]、東京大學的能量輔助服[6]。其中HAL系列是較為成功的先例，但是其下肢輔助的能力并未得到有效的提升，市場前景還尚不明朗，可改進的方面還有很多[7]。此外還有韓國漢陽大學開發(fā)的骨骼服[8]等國外較為前列的研究成果。

國內在這方面的研究起步較晚，大概在2004年前后才有相關研究出現(xiàn)。浙江大學首先對于基于外骨骼的遠程遙操作系統(tǒng)進行了一些研究，但其側重點在于遙控操作，其本質還是主從控制方式，與骨骼服的思想相去甚遠[9]。哈爾濱工業(yè)大學針對下肢殘疾患者的助力機器腿進行了研究，獲得了人體運動數(shù)據(jù)[10]。此外，還有包括中國科技大學、華東理工大學、南京理工大學、東南大學和香港大學對骨骼機做了一定的初級研究工作[11]。另外，2017年3月傅里葉智能公司發(fā)布了國內首款民用下肢助力服設備，但是距離功能完善的產(chǎn)品仍然有一定的差距。

總體來看，國內在骨骼服研究方面起步較晚，至今沒有完全功能化的樣機問世。因此，加快進行骨骼服各項技術的研究，對于提高我國骨骼服技術研究水平，填補國內空白具有重要意義[12]。

1 原理簡介

由于本設備是助力行走的人體同步機器人，為了方便闡述其工作原理，這里先對人體的行走過程做一個簡要說明。

人體行走分為支撐相和擺動相，支撐相就是腿部著地支撐身體的時間段；擺動相就是腿部在空中擺動的時間段。本發(fā)明為人機耦合設備，與人體同步動作，所以外骨骼行走也遵循支撐相和擺動相。其中支撐相又可以分為支撐相初期（腿部剛接觸地面階段），支撐相中期（腿部彎曲接觸地面階段），支撐相末期（腿部馬上進入擺動相階段）。人體在行走的支撐相初期時，腿部與地面開始接觸，為了避免突然觸地振動過大，此時需要的關節(jié)剛度最小；人體在行走的支撐相中期時，腿部正式與地面接觸，需要起到支撐重量的作用，此時需要的關節(jié)剛度最大；人體在行走的支撐相末期時，腿部開始與地面分離，需要運動靈活，此時需要的關節(jié)剛度較小。

該設備的工作過程和人體行走的過程相似。

（1）首先一只腿進入擺動相，主要發(fā)力組件為髖關節(jié)組件。電機帶動大腿桿抬升，此時的膝關節(jié)的目的組件基本處于自由擺動階段，以達到最大程度節(jié)省能量的目的，此時的前腿腳踝彈性板勢能為零。同時另一只支撐腿為支撐相中期，需要最大的關節(jié)剛度，此時的后腿腳踝彈性板勢能儲蓄達到整個行走過程的最大值。

（2）然后前腿進入支撐相初期，腳部組件開始與地面接觸，前腳腳踝彈性板進行蓄能，起到減振作用，膝關節(jié)電機開始運作，抵抗接觸地面帶來的反作用力，髖關節(jié)電機反向轉動，將整個身體拖向前進方向。同時另一只腿進入支撐相末期，腳底板開始與地面分離，腳踝彈性板開始釋放能量，膝關節(jié)電機運作，將腳部組件帶離地面，髖關節(jié)電機正向轉動將后腿往前拖動。

（3）然后是前腿進入支撐相中期，需要最大的關節(jié)剛度，此時的前腿腳踝彈性板勢能儲蓄達到整個行走過程的最大值。后腿相反得，進入擺動相，主要發(fā)力部分為髖關節(jié)組件，膝關節(jié)組件幾乎不發(fā)力，同樣也是為了減少能耗和提高行走的連貫穩(wěn)定性，腳踝彈性板勢能變?yōu)榱恪?/p>

（4）至此，前腿和后腿位置互換，后續(xù)動作交叉重復即可完成助力行走的任務。endprint

2 機械結構設計

由圖3所示，此設備為下肢外骨骼機器人，包括1-背包、2-腰部包覆組件、3-髖關節(jié)組件、4-大腿桿、5-膝關節(jié)組件、6-小腿桿、7-腳部組件，所述髖關節(jié)組件、大腿桿、膝關節(jié)組件、小腿桿、腳踝彈性板、腳底板均為一對。背包內安裝有鋰電池和控制器。腰部包覆組件和髖關節(jié)組件相連接，兩個大腿桿上端與髖關節(jié)組件鉸接、下端分別與膝關節(jié)組件相連，所述小腿桿兩端分別與膝關節(jié)組件及腳踝彈性板相連，髖關節(jié)組件及膝關節(jié)組件均與背包內控制器和鋰電池相連。

腰部包覆組件包括中心板、腰部束縛帶和兩個L型桿。所述中心板為貼合人體腰部外形的不規(guī)則型硬質塑料，左右兩端下側分別與一L型桿固定連接。所述束縛帶是柔軟彈性材料，與中心板頂部固定連接。

髖關節(jié)組件包括兩個圓形套環(huán)、髖關節(jié)電機、髖關節(jié)減速器、錐齒輪和樞軸。所述圓形套環(huán)之一與腰部包覆組件的下端橫桿的下端部固定連接，髖關節(jié)電機垂直放置，其外殼與腰部包覆組件的下端橫桿固定連接，髖關節(jié)電機輸出軸與髖關節(jié)減速器連接，髖關節(jié)減速器下端安裝有錐齒輪，另一錐齒輪與另一圓形套環(huán)固定連接，另一圓形套環(huán)與大腿桿固定連接，兩錐齒輪直角嚙合。樞軸設置在兩個圓形套環(huán)之間、且兩端與兩圓形套環(huán)套環(huán)的內孔配合。

膝關節(jié)組件同樣包括兩個圓形套環(huán)、膝關節(jié)電機、膝關節(jié)減速器、錐齒輪和樞軸。所述圓形套環(huán)之一與大腿桿的下端固定連接，膝關節(jié)電機垂直放置，其外殼與大腿桿的下端固定連接，膝關節(jié)電機輸出軸與膝關節(jié)減速器連接，膝關節(jié)減速器下端安裝有錐齒輪，另一錐齒輪與另一圓形套環(huán)固定連接，另一圓形套環(huán)與小腿桿固定連接，兩錐齒輪直角嚙合。樞軸設置在兩個圓形套環(huán)之間、且兩端與兩圓形套環(huán)的內孔配合。

小腿桿包括小腿下桿和L型小腿上桿。所述小腿下桿與膝關節(jié)圓形套環(huán)固定連接，直桿下端與L型彎曲桿固定連接，L型彎曲桿下端與腳踝彈性板鉸接。

如圖4所示，腳踝彈性板為7.2-板簧和7.1-固定版組成。其中固定板上端與小腿桿下端鉸接，固定板下端與板簧固定連接。板簧下端彎曲，并與腳底板固定連接。

如上所述，本設備機械結構方面相比于現(xiàn)有產(chǎn)品，有以下優(yōu)點：

該下肢助力服的大腿桿與小腿桿處均設計既可用作長度調節(jié)，又可提供被動旋轉自由度的桿長伸縮調節(jié)桿；腳踝處設計有板簧彈性板；以及整體的行走過程利用勢能轉化充分節(jié)省能量，延長設備續(xù)航時間，降低控制復雜性，大幅壓縮成本，使助力服設備民用的可能性大大提高。采用醫(yī)療康復用下肢固定架作為主要固定綁腿結構，令使用者更加舒適。

3 控制系統(tǒng)設計

該設備的核心控制在于使機器人與人體動作同步，并產(chǎn)生助力效果，這需要多個傳感器和控制器的協(xié)同工作。為了避免動作延遲，阻礙人體動作進行，我們采用了閉環(huán)控制與預設主動程序相結合的控制方式。具體的控制流程如下流程圖5所示。

如圖5所示，該設備的控制系統(tǒng)由總控制器PLC、執(zhí)行電機、傳感器和人體組成。作為人機交互系統(tǒng)，人體也是其中必不可少的一部分。在前期實驗室數(shù)據(jù)采集階段，我們采集了人體行走時的步態(tài)數(shù)據(jù)，并在總控制器中輸入了初始控制程序（程序略）。

壓力傳感器分別安裝在腳底、大腿貼合處、小腿貼合處。為了達到人機同步運動，設備不阻礙人體正常動作，必須讓助力服和人體之間的相對壓力始終保持為零。這需要傳感器實時傳遞數(shù)據(jù)給總控制器，總控制器協(xié)調執(zhí)行電機進行負反饋調節(jié)。

扭矩傳感器分別安裝在髖關節(jié)、膝關節(jié)處。同樣，為了人機同步運動，必須也讓助力服與人體之間的相對扭矩始終保持為零。同上，通過反饋數(shù)據(jù)給總控制器進行負反饋調節(jié)。

人體是該設備的實際動作選擇者。人體可以根據(jù)自己的想法改變下體動作，同時給予安裝在各處的傳感器以刺激，從而驅動下肢助力服進行同步運動。

此外，本設備還具有學習能力。對于不同的操作者，步態(tài)數(shù)據(jù)不盡相同。主控制器中留存了存儲空間進行步態(tài)數(shù)據(jù)的調整更新。每一次的反饋-負反饋調節(jié)中，控制器都將記錄下使用者的行走數(shù)據(jù)，并應用到下一個行走擺腿過程循環(huán)中。

4 結束語

（1）現(xiàn)有技術的缺點

成本昂貴，一般家庭難以負擔；續(xù)航時間短，供能設備笨重或者不具有戶外使用的能力；功能冗余，結構復雜不便于制造維護；穿戴舒適性差，與人體貼合程度不高。

（2）本發(fā)明的特點

本論文所述的下肢機械助力服設備立足于方便實用廉價，在滿足基本行走、助力、醫(yī)療康復功能的前提下，對整個下肢助力服設備進行簡化與整合，省去不必要的功能和結構。并采用醫(yī)療康復用下肢固定架作為主要固定綁腿結構，令使用者更加舒適。該設備使用背包式鋰電池作為從而實現(xiàn)成本低使用效果良好的目的。

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