臥式外骨骼助行機(jī)器人設(shè)計(jì)

李 懿，鄔宇軒，馬翔宇

(西安航空學(xué)院， 西安 710077)

外骨骼機(jī)器人作為世界前沿的高新機(jī)器人技術(shù)，是各個(gè)國家探索和研究的重點(diǎn)。外骨骼機(jī)器人在軍事、醫(yī)療、消防等各個(gè)領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿颓熬?，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)[1-3]。 近20年來，外骨骼機(jī)器人得到了廣泛的應(yīng)用，可作為輔助康復(fù)設(shè)備大大減輕醫(yī)務(wù)人員的工作壓力[4-6]。外骨骼機(jī)器人可幫助因年齡大而身體機(jī)能退化的行動(dòng)不便的老年人行走，以解決生活中的一些問題[7-10]。

目前，大多數(shù)國家對(duì)外骨骼機(jī)器人的研究都處于早期探索和基礎(chǔ)起步階段，距離發(fā)展成熟實(shí)際運(yùn)用還有很遠(yuǎn)的路要走。日本于2002年研發(fā)出一款穿戴型助力機(jī)器人,并命名為HAL。該裝備的研究目標(biāo)是幫助年邁者及殘疾人進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)。該外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)可以輔助殘疾人或行動(dòng)不便的老年人正常行走，并幫他們?cè)谏钪姓；顒?dòng)[11-12]。

我國在外骨骼機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的探索起步比較晚，中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、浙江大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行了外骨骼機(jī)器人的研究。這些研究基本都處于初級(jí)理論研究和驗(yàn)證的階段，只有部分研究機(jī)構(gòu)制造出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)[13-16]。

本文以輪椅為依托設(shè)計(jì)了一種外骨骼助行機(jī)器人，椅子上的機(jī)械外骨骼的助力支撐機(jī)構(gòu)可以通過機(jī)械結(jié)構(gòu)幫助行動(dòng)不便的人站起來，完成一些簡單的事情，如取東西、上廁所等，并為康復(fù)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供一些思路。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

臥式外骨骼助行機(jī)器人主要包括座椅結(jié)構(gòu)、腿部結(jié)構(gòu)、剎車機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、操控系統(tǒng)等部分，如圖1所示。座椅裝置主要提供支撐及連接；腿部結(jié)構(gòu)采用框架設(shè)計(jì)，主要起固定作用，并可以通過調(diào)節(jié)大腿凹槽在固定導(dǎo)軌上的位置以滿足不同的身高需求。剎車機(jī)構(gòu)采用類似騎行車剎車系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，剎車盤配合剎車卡鉗，對(duì)車輛部位進(jìn)行鎖緊固定。升降機(jī)構(gòu)控制座椅板升降。

座椅板的升降機(jī)構(gòu)的原動(dòng)力來自電機(jī)驅(qū)動(dòng)下采用螺旋傳動(dòng)原理而設(shè)計(jì)的螺旋伸縮桿，螺旋伸縮桿是助力機(jī)構(gòu)中的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力部件。本設(shè)計(jì)中的主力機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，螺旋伸縮桿完成桿的伸長和縮短。在負(fù)載較低的場合，可以代替液壓缸的作用，相比液壓缸，更加便于控制，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，體積小，成本低。

1.連桿；2.大腿固定槽；3.螺旋伸縮桿；4.靠板；5.剎車盤；6.大腿固定槽

2 PLC控制設(shè)計(jì)

本文依據(jù)外骨骼機(jī)器人的作業(yè)流程，采用西門子S7-200PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立I/O分配表，如表1所示。根據(jù)分配表，設(shè)計(jì)I/O梯形圖，如圖2所示，運(yùn)行仿真結(jié)果如圖3所示。

表1 I/O分配表

圖2 I/O梯形圖

圖3 運(yùn)行仿真結(jié)果

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中：在升降之前，需要首先對(duì)輪子進(jìn)行鎖緊控制防止升降過程的不穩(wěn)定；機(jī)器的主要?jiǎng)幼鳛樽伟宓纳?；在座椅板升降的過程中，要設(shè)置隨時(shí)停止的功能，在上升或下降的任何時(shí)間、任何位置都可以停下來；在任何位置的暫停重啟后，不是繼續(xù)暫停之前的動(dòng)作，而是可以進(jìn)行升起或下降的任意動(dòng)作。

3 運(yùn)動(dòng)仿真

鑒于 UG 三維軟件運(yùn)動(dòng)仿真這一功能，本文在 UG中創(chuàng)建三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，驗(yàn)證外骨骼機(jī)器結(jié)構(gòu)的有效性。外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真如圖4所示。

圖4 外骨骼機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真過程

外骨骼機(jī)器人所對(duì)應(yīng)的位移、速度和加速度等曲線分別如圖5～7所示。

圖5 座椅板位移曲線

圖6 座椅板速度曲線

圖7 座椅板加速度曲線

由圖5～7 可知， 本文所設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人滿足設(shè)定要求， 且座位板對(duì)應(yīng)的升降運(yùn)動(dòng)曲線顯示了其運(yùn)動(dòng)的規(guī)律與特點(diǎn)， 為臥式外骨骼助行機(jī)器人的實(shí)物制作提供了一定的參考。

4 結(jié)束語

本文提出一種基于輪椅設(shè)計(jì)的外骨骼助行機(jī)器人，采用螺旋伸縮桿代替液壓缸以提升外骨骼機(jī)器人座位升降的穩(wěn)定性及精確性，同時(shí)選擇西門子PLC進(jìn)行系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)，并依據(jù)其可行性進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，得到座位板升降過程中的位移、速度、加速度等變化曲線。仿真結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的外骨骼機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)設(shè)定的功能，同時(shí)能為康復(fù)機(jī)械的設(shè)計(jì)提供一些思路和經(jīng)驗(yàn)。