基于電磁驅動的便攜式動力輔助外骨骼研究

李昊洋 李家璇 閆拓 譚茗月 陳松濤

摘 要：外骨骼的概念在科幻電影中出現已有數十年的歷史，但鑒于基礎技術的限制，它沒有得到很好的發展，國內的外骨骼應用目前局限于物流和軍事領域。此次西南交通大學的大學生科研訓練計劃隊員們提出“基于電磁驅動的便攜式動力輔助外骨骼”這一課題，并進行摸索研究，歷時一年零一個月。接下來本文將就“基于電磁驅動的便攜式動力輔助外骨骼”課題研究的成果、創新點以及團隊成員的經驗教訓來進行回顧總結。

關鍵詞：外骨骼;機械結構;大學生科研訓練計劃

國外的外骨骼技術發展比較成熟，比如美國福特公司研發了輔助裝卸工人進行重復性工作的外骨骼設備，日本也研發了一些用于幫助殘障人士進行康復訓練的醫療性外骨骼。相比于國外，國內的外骨骼技術發展并較為滯后，并且在使用環境中有很大的局限性。我國的外骨骼只應用于京東和亞馬遜物流分揀以及單兵作戰系統，并不具有普遍性。我們希望設計出的這一款電驅動下的上肢外骨骼裝置，可以較大程度的提升穿戴者的上肢力量，同時在多種環境下可以同樣易于穿戴、更便攜、更易于控制，以自由度更高來滿足不同環境下使用者的需要。

一、項目成果

經過不懈得學習實踐，目前團隊已經有了可觀的成果。一代機械臂已進行3D打印并組裝，同時進行了電機驅動電路模塊、陀螺儀采集電路模塊、ARDUINO核心板控制電路模塊的設計并編寫出了基于ARDUINO的控制機械臂程序。機械臂材料采用輕型材料、電機等零部件重量全部達到最小化，更方便人體穿戴。經過程序燒錄、調試等后續工作，便可達到預期。

二、外骨骼設計中的關鍵點思考

（一）動力提供方式的選擇

首先從動力角度出發考慮，無動力式上肢外骨骼將施加在上肢的力量通過結構設計使身體協調用力將力量施加在整個身體上實現“借力”，從而達到助力的效果。但對環境條件要求相對較為苛刻，容易重心失調不穩。本質上也未減輕身體的負擔而增加穿戴者的工作時長。有動力式中，液壓式上肢外骨骼輸出能力強但工作噪聲大且體積大并不滿足便攜、便于穿戴自己自由度高的設計要求。因此我們的設計采用電機驅動的方式，為保證便攜且易于更換，采用大直流蓄電池。

（二）結構以及控制方式的合理性

穿戴設計考慮要符合人體工藝，舒適減緩疲勞感。外骨骼工作設計盡可能的滿足上肢可活動的角度，增強環境的適應性和突發多變性。因我們將電機蓄電池放于背包中以減輕手臂負重，所以動力傳遞方式我們一采用蝸桿，使角動力傳遞和直線動力傳遞可以相互轉換，二利用舵機實現方向角度的控制，滿足多角度活動的設計要求。為減少結構的重量和動力傳遞中的損失，我們在不影響設計要求的條件下減少蝸桿以及舵機的數量。

將傳感器的檢測結果作為信號輸入，再利用算法實現電機的轉速控制和舵機的方向控制。用較高電壓以增強靈敏性，實現人體和外骨骼的雙向控制。

（三）硬件電路設計

1.電機驅動部分：直接采用L298N 電機驅動模塊，它可以直接驅動兩路 3-16V 直流電機，并且提供 5V 輸出接口（輸入最低只要 6V），可以給5V的單片機電路系統供電 （低紋波系數），支持3.3V MCU ARM 控制，可以很方便的控制直流電機的速度和方向，同時也可以控制 2 相步進電機和 5 線 4 相步進電機。驅動部分端子供電范圍Vs：+5V～+12V ; 如需要板內取電，則供電范圍 Vs：+6V～+12V，邏輯部分工作電流范圍： 0～36mA，最大功耗： 20W （溫度T=75℃時）

2.舵機穩壓部分：在關節位置采用舵機控制舵機用 LM2941 進行供電，通過調整使用5.5V 的電壓（通過滑動變阻器可調）給舵機供電。較高的電壓可以提高舵機的響應速度，但過高電壓容易導致舵機工作不穩定，所以采用5.5V可調整的設計保證舵機工作的穩定性。

（四）機械結構的繪制

機械臂所有主體結構都由團隊成員自主設計、繪制。大小臂采用了分開繪制再組合的方式，提前調查出人均臂長、臂圍，并以此為依據繪制出比例為1：1的器件。肘關節處通過行星架進行連接，在確保大小臂相接的緊密性的同時，也將傳動比改變，可有效降低直流電機的輸出功率及體積，使整個機械臂更便于攜帶、操作。

大臂和背部之間采用滑扣鏈接，保證了大臂有一定的縱向活動范圍，且不會出現由于所抬物體過重而使整個大臂被動向后推的情況。

而背部采用了肩背一體的模式，在背部設計了人體支撐結構，更加有利于人體穿戴。在盛放電池部分，加設了一層散熱隔板，可提高機械臂的持續工作時間，且可最大減少人體的不適感。

三、經驗與反思

外骨骼沒有實現市場化普及開來，因此我們只能在網上不斷搜尋各大高校以及企業設計的外骨骼論文與資料。由于每個團隊的出發角度不同，差異也很大，給我們造成了較大的迷惑性。不過在確定好方向后，這些論文資料對我們的后續研究大有裨益。

綜上所述，團隊成員對便攜式外骨骼的建構進行了初步探索，就舒適度、動力控制方式、電機驅動等方面做出了反應，及時反思，不斷進步，對團隊日后的學習研究有不可忽視的推動作用。

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作者簡介：

李昊洋（1999-），男（漢族），四川成都人，本科在讀，就讀于西南交通大學 ?學生，研究方向：電子技術。

李家璇（1999-），男（漢族），河北保定人，本科在讀，就讀于西南交通大學，學生，研究方向：電力傳動。

閆拓（1998-），女（漢族），河北唐山人，本科在讀，就讀于西南交通大學，研究方向：程序設計。

譚茗月（1999-），女（漢族），重慶人，本科在讀，就讀于西南交通大學 ?學生，研究方向：程序設計。

陳松濤（1999-），男（漢族），四川達州人，本科在讀，就讀于西南交通大學 ?學生，研究方向：機械結構。