一種助走外骨骼

王鎰杰+劉耀輝+辛紹杰+聶瑞宸

上海電機學院機械學院

【摘 要】如今外骨骼研究風頭正勁，人們希望將人類變身為機器人，可以不增加負重卻可以提升運動能力，可以“飛檐走壁”。目前大部分外骨骼都需要依靠馬達和電池組供電作為動力源，還有的通過采用空氣壓縮系統(tǒng)以實現(xiàn)人類行走能耗的降低。本文設計了一種用于體育醫(yī)療康復領域，特別是無需使用外部電源，而是將原本人行走時自身所需要消耗的重力勢能以彈性勢能的形式儲存起來，以幫助在下一次動作時將彈性勢能轉化為生物能，實現(xiàn)人類行走更加輕松省力。

【關鍵詞】負重；外骨骼；能量轉化；非循環(huán)

引言

直立行走—人類高度進化的表現(xiàn)，是可以通過人工技術得以改進，然而采用電池組或者是利用空氣壓縮系統(tǒng)實現(xiàn)能耗的降低是很不方便的，因為以下幾點原因：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器上，達到的效果可能反而會適得其反。第二，電池組不環(huán)保，不可循環(huán)，助走距離有限，不適用于長時間行走的人們，使得其目標人群顯著縮小到智能用于康復治療。第三，電池組和空氣壓縮系統(tǒng)對于非循環(huán)動作會有怎樣的作用，比如當人們做出站立、轉身、站起、坐下等動作時，它們也許達不到節(jié)省能耗的效果。該裝置不僅可以對循環(huán)動作起到助力負重的作用，同時可以實現(xiàn)對非循環(huán)動作也起到相應的效果。例如人們站立、轉身，站起、坐下等動作時，同樣達到節(jié)省能好的效果。同時該裝置目標人群廣，將會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)性硬化癥的人和長途跋涉的軍事人員 。

1.工作原理及設計方案

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

該裝置所要解決的技術問題是：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)性硬化癥的人和長途跋涉的軍事人員，提供一種助走外骨骼，將人行走時自身所需要消耗的重力勢能以彈性勢能的形式儲存起來，以幫助在下一次動作時，將彈性勢能轉化為生物能，實現(xiàn)人類行走更加輕松省力。 外骨骼設計圖如圖（1）所示：

2.關鍵結構設計

該裝置所采用的技術方案是：一種負重助走外骨骼包括骨骼框架本體、能量轉換裝置、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、傳動桿、直線軸承、滾珠

2.1骨骼框架本體

通過人機分析，設計出合適的最合適的骨骼大小，以實現(xiàn)適合大部分人群，同時設計有微調單元，可調節(jié)的綁帶和固定扣可以實現(xiàn)將該骨骼舒適合理的與人體完美的結合，以減少甚至消除因長時間佩戴外骨骼而帶來的不適感。

2.2能量轉換裝置

能量轉換裝置剛度很強的傳力桿和傳力帶、能夠將重力勢能傳遞到助力緩沖裝置，同時傳力桿的末端安裝有萬向走珠，防止因突出的傳動裝置而發(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，是一中彈性較強的材料，走路是指在一次循環(huán)動作中（所謂的循環(huán)動作是指一腳初次觸地，直到同樣的腳再次觸地的過程），走路是由站立支撐及擺動期兩個階段形成，當一腿進入站立期時，另一腿則處于擺動期。在走路過程中，一只腳是在人體另一只腳處于站立期時完成向前向后擺動的動作的，之后腳會落地面洗手沖擊力。該緩沖助力裝置在將重力勢能轉化為彈性勢能的同時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，這樣有效的幫助長期的涉足者減少疲勞，從而行走更遠的距離。

經(jīng)研究實驗，該裝置可以幫助減少人體行走時14%的能耗，遠遠高于空氣壓縮系統(tǒng)6%的能耗，同時結構簡單，該裝置重量僅有300～500g，不會給行走帶來額外的負重，不然靠它節(jié)省的力氣不就白費了。

3.所述負重助走外骨骼具體運行方式為

以一個循環(huán)走路或者跑步動作為例（所謂的循環(huán)動作是指一腳初次觸地，直到同樣的腳再次觸地的過程），在一個循環(huán)動作中，當一只腳處于站立期，則另一只腳處于擺動期，在擺動腳結束落地進入站立期的同時，傳動桿在重力的作用下被頂起，滾珠會與地面有一個相對的滑動（防止人在走路時因裝置與地面摩擦過大而絆倒），彈簧在傳動桿的作用下被拉動，導致彈簧被拉伸，一個循環(huán)動作完成，該過程中重力勢能被儲存轉化為彈性勢能，同時吸收了腳在落地的一瞬間產(chǎn)生的沖擊，該腳進入下一個擺動期的同時儲存的彈性勢能被釋放，該裝置同時承擔了人的一部分體重，緩沖了人行走時對關節(jié)等的沖擊力，減少了人走路時的能耗，而其環(huán)保，可循環(huán)無限制，同時結構簡單，可操作性強便與實現(xiàn)，該裝置采用直線軸承，減小了傳動桿與外骨骼本體的摩擦和噪音，減少了能量的損失，增強了該機構的實用性。

該裝置同時適用于非循環(huán)動作，只要人體與地面接觸就會有重力勢能做工儲存為彈性勢能，在進入運動狀態(tài)前彈性勢能會釋放，原理與循環(huán)動作完全相同，同時該裝置重量僅有300-500g，不會給行走帶來額外的負重。

4 .結束語

該裝置適用人群廣，可適用于將會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)性硬化癥的人和長途跋涉的軍事人員，在未來具有很強的推廣性。同時，該發(fā)明可以幫助減少人體行走時14%的能耗，遠遠高于空氣壓縮系統(tǒng)6%的能耗，同時結構簡單，，很好的解決目前外骨骼存在的問題，具有很強的實用性。

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