基于電磁驅(qū)動(dòng)的便攜式動(dòng)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(xiàn)已有數(shù)十年的歷史，但鑒于基礎(chǔ)技術(shù)的限制，它沒(méi)有得到很好的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的外骨骼應(yīng)用目前局限于物流和軍事領(lǐng)域。此次西南交通大學(xué)的大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃隊(duì)員們提出“基于電磁驅(qū)動(dòng)的便攜式動(dòng)力輔助外骨骼”這一課題，并進(jìn)行摸索研究，歷時(shí)一年零一個(gè)月。接下來(lái)本文將就“基于電磁驅(qū)動(dòng)的便攜式動(dòng)力輔助外骨骼”課題研究的成果、創(chuàng)新點(diǎn)以及團(tuán)隊(duì)成員的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)來(lái)進(jìn)行回顧總結(jié)。

關(guān)鍵詞：外骨骼;機(jī)械結(jié)構(gòu);大學(xué)生科研訓(xùn)練計(jì)劃

國(guó)外的外骨骼技術(shù)發(fā)展比較成熟，比如美國(guó)福特公司研發(fā)了輔助裝卸工人進(jìn)行重復(fù)性工作的外骨骼設(shè)備，日本也研發(fā)了一些用于幫助殘障人士進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)療性外骨骼。相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的外骨骼技術(shù)發(fā)展并較為滯后，并且在使用環(huán)境中有很大的局限性。我國(guó)的外骨骼只應(yīng)用于京東和亞馬遜物流分揀以及單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)，并不具有普遍性。我們希望設(shè)計(jì)出的這一款電驅(qū)動(dòng)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(shí)在多種環(huán)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(lái)滿足不同環(huán)境下使用者的需要。

一、項(xiàng)目成果

經(jīng)過(guò)不懈得學(xué)習(xí)實(shí)踐，目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)有了可觀的成果。一代機(jī)械臂已進(jìn)行3D打印并組裝，同時(shí)進(jìn)行了電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)并編寫出了基于ARDUINO的控制機(jī)械臂程序。機(jī)械臂材料采用輕型材料、電機(jī)等零部件重量全部達(dá)到最小化，更方便人體穿戴。經(jīng)過(guò)程序燒錄、調(diào)試等后續(xù)工作，便可達(dá)到預(yù)期。

二、外骨骼設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)思考

（一）動(dòng)力提供方式的選擇

首先從動(dòng)力角度出發(fā)考慮，無(wú)動(dòng)力式上肢外骨骼將施加在上肢的力量通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使身體協(xié)調(diào)用力將力量施加在整個(gè)身體上實(shí)現(xiàn)“借力”，從而達(dá)到助力的效果。但對(duì)環(huán)境條件要求相對(duì)較為苛刻，容易重心失調(diào)不穩(wěn)。本質(zhì)上也未減輕身體的負(fù)擔(dān)而增加穿戴者的工作時(shí)長(zhǎng)。有動(dòng)力式中，液壓式上肢外骨骼輸出能力強(qiáng)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(shè)計(jì)要求。因此我們的設(shè)計(jì)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，為保證便攜且易于更換，采用大直流蓄電池。

（二）結(jié)構(gòu)以及控制方式的合理性

穿戴設(shè)計(jì)考慮要符合人體工藝，舒適減緩疲勞感。外骨骼工作設(shè)計(jì)盡可能的滿足上肢可活動(dòng)的角度，增強(qiáng)環(huán)境的適應(yīng)性和突發(fā)多變性。因我們將電機(jī)蓄電池放于背包中以減輕手臂負(fù)重，所以動(dòng)力傳遞方式我們一采用蝸桿，使角動(dòng)力傳遞和直線動(dòng)力傳遞可以相互轉(zhuǎn)換，二利用舵機(jī)實(shí)現(xiàn)方向角度的控制，滿足多角度活動(dòng)的設(shè)計(jì)要求。為減少結(jié)構(gòu)的重量和動(dòng)力傳遞中的損失，我們?cè)诓挥绊懺O(shè)計(jì)要求的條件下減少蝸桿以及舵機(jī)的數(shù)量。

將傳感器的檢測(cè)結(jié)果作為信號(hào)輸入，再利用算法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制和舵機(jī)的方向控制。用較高電壓以增強(qiáng)靈敏性，實(shí)現(xiàn)人體和外骨骼的雙向控制。

（三）硬件電路設(shè)計(jì)

1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分：直接采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，它可以直接驅(qū)動(dòng)兩路 3-16V 直流電機(jī)，并且提供 5V 輸出接口（輸入最低只要 6V），可以給5V的單片機(jī)電路系統(tǒng)供電 （低紋波系數(shù)），支持3.3V MCU ARM 控制，可以很方便的控制直流電機(jī)的速度和方向，同時(shí)也可以控制 2 相步進(jìn)電機(jī)和 5 線 4 相步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)部分端子供電范圍Vs：+5V～+12V ; 如需要板內(nèi)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(shí)）

2.舵機(jī)穩(wěn)壓部分：在關(guān)節(jié)位置采用舵機(jī)控制舵機(jī)用 LM2941 進(jìn)行供電，通過(guò)調(diào)整使用5.5V 的電壓（通過(guò)滑動(dòng)變阻器可調(diào)）給舵機(jī)供電。較高的電壓可以提高舵機(jī)的響應(yīng)速度，但過(guò)高電壓容易導(dǎo)致舵機(jī)工作不穩(wěn)定，所以采用5.5V可調(diào)整的設(shè)計(jì)保證舵機(jī)工作的穩(wěn)定性。

（四）機(jī)械結(jié)構(gòu)的繪制

機(jī)械臂所有主體結(jié)構(gòu)都由團(tuán)隊(duì)成員自主設(shè)計(jì)、繪制。大小臂采用了分開(kāi)繪制再組合的方式，提前調(diào)查出人均臂長(zhǎng)、臂圍，并以此為依據(jù)繪制出比例為1：1的器件。肘關(guān)節(jié)處通過(guò)行星架進(jìn)行連接，在確保大小臂相接的緊密性的同時(shí)，也將傳動(dòng)比改變，可有效降低直流電機(jī)的輸出功率及體積，使整個(gè)機(jī)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(dòng)范圍，且不會(huì)出現(xiàn)由于所抬物體過(guò)重而使整個(gè)大臂被動(dòng)向后推的情況。

而背部采用了肩背一體的模式，在背部設(shè)計(jì)了人體支撐結(jié)構(gòu)，更加有利于人體穿戴。在盛放電池部分，加設(shè)了一層散熱隔板，可提高機(jī)械臂的持續(xù)工作時(shí)間，且可最大減少人體的不適感。

三、經(jīng)驗(yàn)與反思

外骨骼沒(méi)有實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化普及開(kāi)來(lái)，因此我們只能在網(wǎng)上不斷搜尋各大高校以及企業(yè)設(shè)計(jì)的外骨骼論文與資料。由于每個(gè)團(tuán)隊(duì)的出發(fā)角度不同，差異也很大，給我們?cè)斐闪溯^大的迷惑性。不過(guò)在確定好方向后，這些論文資料對(duì)我們的后續(xù)研究大有裨益。

綜上所述，團(tuán)隊(duì)成員對(duì)便攜式外骨骼的建構(gòu)進(jìn)行了初步探索，就舒適度、動(dòng)力控制方式、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等方面做出了反應(yīng)，及時(shí)反思，不斷進(jìn)步，對(duì)團(tuán)隊(duì)日后的學(xué)習(xí)研究有不可忽視的推動(dòng)作用。

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[8]濮良貴 陳國(guó)定 吳立言.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].高等教育出版社，2013年

作者簡(jiǎn)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(xué) ?學(xué)生，研究方向：電子技術(shù)。

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(xué)，學(xué)生，研究方向：電力傳動(dòng)。

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

譚茗月（1999-），女（漢族），重慶人，本科在讀，就讀于西南交通大學(xué) ?學(xué)生，研究方向：程序設(shè)計(jì)。

陳松濤（1999-），男（漢族），四川達(dá)州人，本科在讀，就讀于西南交通大學(xué) ?學(xué)生，研究方向：機(jī)械結(jié)構(gòu)。