一種下肢機(jī)械助力服設(shè)備的設(shè)計(jì)

楊帆+趙建+趙宇+張華鵬

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種普通民用和醫(yī)療康復(fù)用的下肢機(jī)械助力服設(shè)備，并描述了其發(fā)明目的、具體結(jié)構(gòu)和工作原理。文章對(duì)于貼合人體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，使得穿戴者穿著更加舒適，并采用錐齒輪傳動(dòng)從而改變電機(jī)放置方向，使得整個(gè)設(shè)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(diǎn)。

關(guān)鍵詞：下肢助力服；醫(yī)療器械；民用設(shè)備

中圖分類(lèi)號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jī)械助力服類(lèi)似的設(shè)備是從1963年美國(guó)外彈道實(shí)驗(yàn)室的Zaroodny發(fā)表的報(bào)告開(kāi)始萌芽的。早期階段的代表性機(jī)械外骨骼是美國(guó)通用電氣公司的Hardiman，但是由于技術(shù)原因，該設(shè)備只實(shí)現(xiàn)了一只手臂的力量提升[1]。21世紀(jì)以來(lái)，以美國(guó)、日本為首的外骨骼研發(fā)機(jī)構(gòu)是該類(lèi)設(shè)備的主要推動(dòng)力。美國(guó)的成果產(chǎn)品大多立足于軍隊(duì)裝備，著眼于大幅度提升人體機(jī)能，所以存在巨大耗能的問(wèn)題，能源供應(yīng)問(wèn)題一直沒(méi)辦法解決[2]。日本的骨骼服項(xiàng)目有HAL系列“混合輔助腿”[3-4]、本田公司的助力機(jī)械腿[5]、東京大學(xué)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(chǎng)前景還尚不明朗，可改進(jìn)的方面還有很多[7]。此外還有韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)開(kāi)發(fā)的骨骼服[8]等國(guó)外較為前列的研究成果。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究起步較晚，大概在2004年前后才有相關(guān)研究出現(xiàn)。浙江大學(xué)首先對(duì)于基于外骨骼的遠(yuǎn)程遙操作系統(tǒng)進(jìn)行了一些研究，但其側(cè)重點(diǎn)在于遙控操作，其本質(zhì)還是主從控制方式，與骨骼服的思想相去甚遠(yuǎn)[9]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)針對(duì)下肢殘疾患者的助力機(jī)器腿進(jìn)行了研究，獲得了人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[10]。此外，還有包括中國(guó)科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、南京理工大學(xué)、東南大學(xué)和香港大學(xué)對(duì)骨骼機(jī)做了一定的初級(jí)研究工作[11]。另外，2017年3月傅里葉智能公司發(fā)布了國(guó)內(nèi)首款民用下肢助力服設(shè)備，但是距離功能完善的產(chǎn)品仍然有一定的差距。

總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)在骨骼服研究方面起步較晚，至今沒(méi)有完全功能化的樣機(jī)問(wèn)世。因此，加快進(jìn)行骨骼服各項(xiàng)技術(shù)的研究，對(duì)于提高我國(guó)骨骼服技術(shù)研究水平，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白具有重要意義[12]。

1 原理簡(jiǎn)介

由于本設(shè)備是助力行走的人體同步機(jī)器人，為了方便闡述其工作原理，這里先對(duì)人體的行走過(guò)程做一個(gè)簡(jiǎn)要說(shuō)明。

人體行走分為支撐相和擺動(dòng)相，支撐相就是腿部著地支撐身體的時(shí)間段；擺動(dòng)相就是腿部在空中擺動(dòng)的時(shí)間段。本發(fā)明為人機(jī)耦合設(shè)備，與人體同步動(dòng)作，所以外骨骼行走也遵循支撐相和擺動(dòng)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(jìn)入擺動(dòng)相階段）。人體在行走的支撐相初期時(shí)，腿部與地面開(kāi)始接觸，為了避免突然觸地振動(dòng)過(guò)大，此時(shí)需要的關(guān)節(jié)剛度最小；人體在行走的支撐相中期時(shí)，腿部正式與地面接觸，需要起到支撐重量的作用，此時(shí)需要的關(guān)節(jié)剛度最大；人體在行走的支撐相末期時(shí)，腿部開(kāi)始與地面分離，需要運(yùn)動(dòng)靈活，此時(shí)需要的關(guān)節(jié)剛度較小。

該設(shè)備的工作過(guò)程和人體行走的過(guò)程相似。

（1）首先一只腿進(jìn)入擺動(dòng)相，主要發(fā)力組件為髖關(guān)節(jié)組件。電機(jī)帶動(dòng)大腿桿抬升，此時(shí)的膝關(guān)節(jié)的目的組件基本處于自由擺動(dòng)階段，以達(dá)到最大程度節(jié)省能量的目的，此時(shí)的前腿腳踝彈性板勢(shì)能為零。同時(shí)另一只支撐腿為支撐相中期，需要最大的關(guān)節(jié)剛度，此時(shí)的后腿腳踝彈性板勢(shì)能儲(chǔ)蓄達(dá)到整個(gè)行走過(guò)程的最大值。

（2）然后前腿進(jìn)入支撐相初期，腳部組件開(kāi)始與地面接觸，前腳腳踝彈性板進(jìn)行蓄能，起到減振作用，膝關(guān)節(jié)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)作，抵抗接觸地面帶來(lái)的反作用力，髖關(guān)節(jié)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，將整個(gè)身體拖向前進(jìn)方向。同時(shí)另一只腿進(jìn)入支撐相末期，腳底板開(kāi)始與地面分離，腳踝彈性板開(kāi)始釋放能量，膝關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)作，將腳部組件帶離地面，髖關(guān)節(jié)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)將后腿往前拖動(dòng)。

（3）然后是前腿進(jìn)入支撐相中期，需要最大的關(guān)節(jié)剛度，此時(shí)的前腿腳踝彈性板勢(shì)能儲(chǔ)蓄達(dá)到整個(gè)行走過(guò)程的最大值。后腿相反得，進(jìn)入擺動(dòng)相，主要發(fā)力部分為髖關(guān)節(jié)組件，膝關(guān)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(shì)能變?yōu)榱恪?/p>

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

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖3所示，此設(shè)備為下肢外骨骼機(jī)器人，包括1-背包、2-腰部包覆組件、3-髖關(guān)節(jié)組件、4-大腿桿、5-膝關(guān)節(jié)組件、6-小腿桿、7-腳部組件，所述髖關(guān)節(jié)組件、大腿桿、膝關(guān)節(jié)組件、小腿桿、腳踝彈性板、腳底板均為一對(duì)。背包內(nèi)安裝有鋰電池和控制器。腰部包覆組件和髖關(guān)節(jié)組件相連接，兩個(gè)大腿桿上端與髖關(guān)節(jié)組件鉸接、下端分別與膝關(guān)節(jié)組件相連，所述小腿桿兩端分別與膝關(guān)節(jié)組件及腳踝彈性板相連，髖關(guān)節(jié)組件及膝關(guān)節(jié)組件均與背包內(nèi)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(gè)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(zhì)塑料，左右兩端下側(cè)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(guān)節(jié)組件包括兩個(gè)圓形套環(huán)、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、髖關(guān)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(guān)節(jié)電機(jī)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(guān)節(jié)電機(jī)輸出軸與髖關(guān)節(jié)減速器連接，髖關(guān)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(shè)置在兩個(gè)圓形套環(huán)之間、且兩端與兩圓形套環(huán)套環(huán)的內(nèi)孔配合。

膝關(guān)節(jié)組件同樣包括兩個(gè)圓形套環(huán)、膝關(guān)節(jié)電機(jī)、膝關(guān)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(guān)節(jié)電機(jī)垂直放置，其外殼與大腿桿的下端固定連接，膝關(guān)節(jié)電機(jī)輸出軸與膝關(guān)節(jié)減速器連接，膝關(guān)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(shè)置在兩個(gè)圓形套環(huán)之間、且兩端與兩圓形套環(huán)的內(nèi)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(guān)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(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)方面相比于現(xiàn)有產(chǎn)品，有以下優(yōu)點(diǎn)：

該下肢助力服的大腿桿與小腿桿處均設(shè)計(jì)既可用作長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，又可提供被動(dòng)旋轉(zhuǎn)自由度的桿長(zhǎng)伸縮調(diào)節(jié)桿；腳踝處設(shè)計(jì)有板簧彈性板；以及整體的行走過(guò)程利用勢(shì)能轉(zhuǎn)化充分節(jié)省能量，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間，降低控制復(fù)雜性，大幅壓縮成本，使助力服設(shè)備民用的可能性大大提高。采用醫(yī)療康復(fù)用下肢固定架作為主要固定綁腿結(jié)構(gòu)，令使用者更加舒適。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該設(shè)備的核心控制在于使機(jī)器人與人體動(dòng)作同步，并產(chǎn)生助力效果，這需要多個(gè)傳感器和控制器的協(xié)同工作。為了避免動(dòng)作延遲，阻礙人體動(dòng)作進(jìn)行，我們采用了閉環(huán)控制與預(yù)設(shè)主動(dòng)程序相結(jié)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(shè)備的控制系統(tǒng)由總控制器PLC、執(zhí)行電機(jī)、傳感器和人體組成。作為人機(jī)交互系統(tǒng)，人體也是其中必不可少的一部分。在前期實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集階段，我們采集了人體行走時(shí)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(dá)到人機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，設(shè)備不阻礙人體正常動(dòng)作，必須讓助力服和人體之間的相對(duì)壓力始終保持為零。這需要傳感器實(shí)時(shí)傳遞數(shù)據(jù)給總控制器，總控制器協(xié)調(diào)執(zhí)行電機(jī)進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

扭矩傳感器分別安裝在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)處。同樣，為了人機(jī)同步運(yùn)動(dòng)，必須也讓助力服與人體之間的相對(duì)扭矩始終保持為零。同上，通過(guò)反饋數(shù)據(jù)給總控制器進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

人體是該設(shè)備的實(shí)際動(dòng)作選擇者。人體可以根據(jù)自己的想法改變下體動(dòng)作，同時(shí)給予安裝在各處的傳感器以刺激，從而驅(qū)動(dòng)下肢助力服進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。

此外，本設(shè)備還具有學(xué)習(xí)能力。對(duì)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(chǔ)空間進(jìn)行步態(tài)數(shù)據(jù)的調(diào)整更新。每一次的反饋-負(fù)反饋調(diào)節(jié)中，控制器都將記錄下使用者的行走數(shù)據(jù)，并應(yīng)用到下一個(gè)行走擺腿過(guò)程循環(huán)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)

成本昂貴，一般家庭難以負(fù)擔(dān)；續(xù)航時(shí)間短，供能設(shè)備笨重或者不具有戶外使用的能力；功能冗余，結(jié)構(gòu)復(fù)雜不便于制造維護(hù)；穿戴舒適性差，與人體貼合程度不高。

（2）本發(fā)明的特點(diǎn)

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

參考文獻(xiàn)：

[1]Aaron M.Dollar，Hugh Herr. Lower Extremity Exoskeletons and Active Orthoses：Challenges and States-of-the-Art [J].IEEE Transactions on Robotics，2008，24（1）：144-158.

[2]"Exoskeletons for Human Performance Augmentation（EHPA） ." http：//www.Beachbrowser.com/Archives/Science -and-Health/January-2001/Exoskelet-ons-for-Human-Augmentation.htm.

[3]Okamura J，Tanaka H， Sankai Y. EMG-based Prototype Powered Assitive System for Walking Aid[C]. Proceedings of Asian Symposium on Industrial Automation and Robotics（ASIAR 99）， Bangkok， Thailand，1999：229-234.endprint

[4]Lee S， Sankai Y. Power Assist Control for Walking Aid with HAL - 3 Based on EMG and Impedance Adjustment around Knee Joint[C]. Proceedings of IEEE/RSJ International Conf on Intelligent Robots and Systems（IROS 2002）， EPFL，Switzerland，2002：1499-1504.

[5]Yoshiitsu T， Yamamoto K. Development of a Power Assist Suit

for Nursing Work[C].SCIE 2004 Annual Conference， Sapporo， Tokyo，2004：577-580.

[6]楊智勇，顧文錦，張靜，等.單兵負(fù)荷骨骼服的力控制理論與方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013：12-14.

[7]Kawamoto，Hiroaki，Tomoya Shiraki，Tasuku Otsuka，et al. Meal-As-sistance by Robot Suit HAL using Dectection of Food Position with Camera[C]. Proceedings of the 2011 IEEE Internetional Conference on Robotics and Biomimetics， Phuket Thailand， 2011：889-894.

[8]Kim， Wan-Soo， Seung-Hoon Lee， et al.Development of the Heavy Load Tran-Sferring Task Oriented Exoskeleton Adapted by Lower Extremity Using Qausi -Active Joints[C].ICROS-SICE International Joint Conference， Fukuoka，Japan，2009：1353-1358.

[9]李曉明.基于外骨骼技術(shù)的機(jī)器人遠(yuǎn)程控制[D].浙江大學(xué)，2004.

[10]王嵐，王婷，張立勛，等.助力機(jī)器腿仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2006，23（9）：12-15.

[11]牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制機(jī)理研究與實(shí)現(xiàn)[D].浙江大學(xué)，2006.

[12]楊智勇，顧文錦，張靜，等.單兵負(fù)荷骨骼服的力控制理論與方法[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013：12-14.endprint