可穿戴式助殘機械腿的結構設計與分析

孫 建 方綠茵 李 明 吳凱峰

（臺州學院機械工程學院，浙江臺州318000）

0 引言

社會日益進步，科技造福人民的呼聲也越來越高，對于助殘康復機械裝置，國內外正在進行各層次的研究。據報道，美國仿生學實驗室研發的一款助殘機械外骨骼，截癱患者可在它的幫助下獨立活動4 h，行走速度可達1.1英里/h，售價為4萬美元。雖然助殘康復機械價格已有下降，但高端產品的價格對于普通殘疾偏癱患者來說依舊難以承擔，而符合人們心理價位的助殘機械，大多數功能不夠完善，自由度與舒適度也得不到滿足。鑒于此，我們在借鑒前人設計、吸取經驗教訓的基礎上進行改善，設計了一款可穿戴式助殘康復機械腿。

1 可穿戴式助殘機械腿的結構設計

1.1 機械結構方案設計

可穿戴式助殘機械腿應為患者提供身體支撐、預警保護、動力支持，在此基礎上還應具備傳感、反饋、控制等功能。根據正常人行走時的步態與力矩分析模擬，以及膝關節與髖關節的力矩分析，初步方案是利用普通拐杖進行身體支撐，在大腿處穿戴簡易機械外骨骼，利用電機提供膝關節處的扭矩，利用韌帶在保障舒適度的同時固定住髖關節與支撐拐杖的相對位置，而后利用大腿、拐杖、活動推桿組成連桿機構模擬大腿邁出與支撐拐杖回收的運動軌跡，如圖1所示。

圖1 大腿與支撐拐杖的運動軌跡

最終決定結構設計方案如下：

（1）在初步方案的基礎上考慮拐杖及髖關節的聯動，在拐杖處增加一個推桿，保證支撐拐杖在行進過程中滿足角度尺寸變化要求；

（2）為滿足增加助力要求，在底部用棘輪代替了一般支撐拐杖的底部滑塊，在保障其自鎖的同時，方便了支撐拐杖回收過程的實現；

（3）考慮患者的扭矩功率與自身負重能力，取消了膝關節處的電機，將動力源放在了支撐拐杖上，采用推桿電機，構建出一個四桿機構進行小腿部分的角度及力矩控制；

（4）為了滿足行進過程中患者機械腿腳掌落地的穩定性，同時保證患者在使用該助殘裝置時與正常人行進步態的相似性，在踝關節與腳掌部分添加一個小推桿電機，控制腳掌與地面的角度，并添加防滑措施；

（5）在腳后跟處增加活動連桿保證自由度要求，并滿足踝關節的舒適度。

1.2 機械腿各部分分析

1.2.1 支撐拐杖底部棘輪

為了實現用戶行進時的便利性，并具備自鎖的功能，在拐杖的底部加裝一個可控的雙向棘輪。一般情況下其可向前運動，向后自鎖；在特殊情況下可改變自鎖方向或轉變為普通圓輪。棘輪構筑的三角形角度為37°&53°，使下三角重心略向后偏，對拐杖在行進過程中的位置不適起一定的保護作用，同時不會使重心過于偏后，導致棘輪壽命下降，甚至行進過程中發生用戶傾倒的事故。

1.2.2 支撐拐杖伸縮裝置

采用壓力傳感器與低速大扭矩推桿電機，自適應調節支撐拐杖長度，保證行進過程中對不同地形的自適應調節，保證行進過程的阻力較小，同時保證用戶在使用拐杖時的舒適度，減少使用時帶來的僵直感與不適感，保護用戶重心穩定。

1.2.3 髖關節大腿活動連桿控制裝置

利用支撐拐杖組成的活動四桿機構來提供髖關節的扭矩。經過仿真確定轉動副數據，利用角度傳感器控制大腿行進擺動角度，低速大扭矩推桿電機給予動力；根據每個用戶不同的情況與不同的習慣，設置不同的參數，保證系統的穩定性、安全性和舒適度；同時，裝置中與人體相對固定處可根據用戶的實際情況進行誤差補償，減少了人體機械運動的疲勞。

1.2.4 膝關節小腿活動連桿控制裝置

在膝關節處同樣由支撐拐杖組成活動四桿機構，該機構與髖關節共用一個轉動副，與髖關節聯動。膝關節活動連桿裝置的固定連接大多為松連接（小腿可自然垂下），即在小腿控制部分采用主重力輔電機的方式，減少了輸出，又保證了舒適度。

1.2.5 踝關節腳掌活動連桿控制裝置

踝關節處的活動連桿裝置主要用途是保證在行進過程中舒適穩定的落地，采用三個ZLDS10X一維傳感器，并排安裝在一起，利用三個傳感器檢測該平面的距離，如果出現曲面則以前后兩個傳感器為基準，通過電機改變角度，并設置角度范圍，保證與平面的穩定接觸。

助殘機械腿具體結構如圖2所示。

圖2 助殘機械腿結構

1.3 機械腿材料選擇

考慮到輕便美觀以及價格與適配性，選擇鋁合金作為助殘康復機械腿的骨骼支架材料。鋁合金質輕易加工，同時具備一定的經濟性。

2 助殘機械腿運動仿真數據對比與結果分析

2.1 行進過程中各部位能量消耗

在行進過程中，各關節能量消耗的仿真分析結果如圖3所示。

圖3 各關節能量消耗圖

由圖3可知，各關節的消耗在行進過程中基本保持在較低水平，結合實際可知該機械腿可以正常工作。

2.2 行進時助殘機械腿的關節軌跡分析

在行進過程中助殘機械腿與健康腿各個關節路徑角度變化對比如圖4～圖6所示。

分析圖4～圖6機械腿與健康腿各關節的仿真數據可知，健康腿的行走姿勢與助殘機械腿不盡相同，所有數據變化有時會出現先后順序的波動，但在行進過程中起末位置即功能要求該助殘機械腿已經達到，該機械腿的行走路徑不會對人體產生不利影響，與人體的適應性較好，可達到實際的使用要求。

圖4 踝關節路徑對比圖

圖5 髖關節路徑對比圖

圖6 膝關節路徑對比圖

3 樣機試制

根據仿真數據的分析結果，試制了樣機，并進行了行走試驗，達到了預期的目標。

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