基于Solidworks新型民用液壓電控外骨骼/附肢設(shè)計(jì)

洪海升 林煦航 戴欣杰 侯鵬亮

摘 要：機(jī)械外骨骼或稱動(dòng)力外骨骼，是一種由鋼鐵的框架構(gòu)成并且可讓人穿戴的機(jī)器裝置。外骨骼在民用市場(chǎng)的應(yīng)用較少，值得挖掘。應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)新型民用液壓電控外骨骼各部分零件進(jìn)行建模，模塊化裝配。整體上采用模塊化設(shè)計(jì)可有效降低生產(chǎn)成本和維護(hù)成本，對(duì)現(xiàn)行外骨骼價(jià)格昂貴這一問題進(jìn)行了改良。針對(duì)現(xiàn)行外骨骼功能單一的局限性，新型民用液壓電控外骨骼采取開放式的設(shè)計(jì)，可以外接各種附加設(shè)備，實(shí)現(xiàn)外骨骼功能的多樣化。針對(duì)現(xiàn)有外骨骼體型過大穿戴困難這一問題，新型民用液壓電控外骨骼開發(fā)了可折疊的功能。

關(guān)鍵詞：外骨骼;液壓;Solidworks;民用

機(jī)械外骨骼或稱動(dòng)力外骨骼，是一種由鋼鐵的框架構(gòu)成并且可讓人穿戴的機(jī)器裝置，這個(gè)裝備可以提供額外能量來供四肢運(yùn)動(dòng)，主要應(yīng)用于軍用和醫(yī)用，除了能夠增強(qiáng)人體能力外，還有良好的防護(hù)性。機(jī)械外骨骼作為單人可穿戴的一種外骨骼，實(shí)質(zhì)上是一種可以穿戴在人身上的機(jī)器人，分為有動(dòng)力和無動(dòng)力兩種類型。不僅有保護(hù)作用，還能賦予人體額外的能力，協(xié)助人完成很多自身無法完成的任務(wù)。周加永[1]從人體運(yùn)動(dòng)特征出發(fā)，分析了液壓驅(qū)動(dòng)負(fù)重外骨骼機(jī)器人的整體骨架結(jié)構(gòu)。王海波[2]研究了負(fù)重型外骨骼液壓動(dòng)力單元溫升及噪聲過大的問題。賈正偉[3]分析了液壓系統(tǒng)的耐污能力及控制系統(tǒng)污染物措施的研究。鄧明君[4]設(shè)計(jì)了一種由液壓驅(qū)動(dòng)、鋼絲繩傳動(dòng)的上肢外骨骼機(jī)器人。盡管手臂外骨骼有很多優(yōu)點(diǎn)，可以在生活中的多方面為人類提供幫助。但它卻存在價(jià)格昂貴、功能有限、體型過大、穿戴困難等諸多缺點(diǎn)。因此，研發(fā)出能克服這些缺陷的外骨骼顯得十分必要。新型民用液壓電控外骨骼克服了傳統(tǒng)的外骨骼笨重的缺點(diǎn)，而且可搭載更多的模塊控件實(shí)現(xiàn)功能的擴(kuò)展。利用液壓傳動(dòng)進(jìn)一步縮小了體積，方便攜帶和運(yùn)輸。同時(shí)，外骨骼根據(jù)輸入的指令自行運(yùn)作以實(shí)現(xiàn)附肢的功能，極簡(jiǎn)和模塊化的設(shè)計(jì)又進(jìn)一步降低了成本和重量。

1 新型民用液壓電控外骨骼/附肢組成及操作原理

1.1 新型民用液壓電控外骨骼/附肢組成

新型民用液壓電控外骨骼/附肢主要包括三個(gè)模塊：動(dòng)力與控制核心模塊、機(jī)械支架模塊以及搭載元件模塊如圖1所示。

1.2 新型民用液壓電控外骨骼/附肢操作原理

該裝備可為穿戴者上肢部分動(dòng)作提供助力，達(dá)到保護(hù)肌肉、降低疲勞累積的效果;可重復(fù)執(zhí)行單一動(dòng)作而不需要人保持同一姿勢(shì)，達(dá)到提高工作效率和減少失誤的效果;可配備多種靈活的機(jī)械手，以達(dá)到處理各種復(fù)雜事物的效果。設(shè)計(jì)操作步驟如下：

第一步是組裝穿戴，將核心與背帶連接，然后背到身上去。第二步是啟動(dòng)程序，保持安全站位，外骨骼啟動(dòng)至裝配姿勢(shì)。第三步是搭載鎖定，將護(hù)臂固定到手臂上，活動(dòng)四肢稍作調(diào)整。第四步是裝載設(shè)備，將你需要的設(shè)備裝載到護(hù)臂上的定位孔中，并連接液壓管。

2 新型民用液壓電控外骨骼/附肢核心部件設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)力與控制核心設(shè)計(jì)

核心元件由電源，液壓油箱，控制主板、主連接件搭載點(diǎn)和其他必需設(shè)備元件組成。動(dòng)力系統(tǒng)由液壓伺服系統(tǒng)、單片機(jī)等元件組成。動(dòng)力核心的整體外觀如圖2所示，根據(jù)人體的肌肉分布設(shè)計(jì)成倒三角形狀的背夾，把液壓油箱設(shè)計(jì)成了梯形結(jié)構(gòu)。活塞機(jī)構(gòu)被設(shè)計(jì)成了左右對(duì)稱的“V”型的結(jié)構(gòu)，與液壓油箱相配合，貼合人體背部肌肉的分布。此外，“V”型結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整角度以容納活塞桿更長(zhǎng)程度的伸縮，使得液壓機(jī)構(gòu)具備更大的伸縮行程。源頭舵機(jī)設(shè)計(jì)在活塞機(jī)構(gòu)的側(cè)面，用于與機(jī)械支架的銜接。

2.2 機(jī)械支架設(shè)計(jì)

機(jī)架外形由支架、強(qiáng)固護(hù)臂、萬(wàn)向節(jié)、固定手環(huán)等零件組成如圖3所示。機(jī)械支架是整套外骨骼的外觀核心，在功能上起到主要的操作作用。構(gòu)成支架的若干舵機(jī)使支架具有多個(gè)自由度，可以完成各種復(fù)雜的工作。由于本套裝置允許外骨骼脫離人的肢體獨(dú)立運(yùn)作，亦可以起到附肢的效果。鋁合金支架設(shè)計(jì)有兩種形態(tài)，一種為三角形，一種為菱形。三角形鋁合金支架通過三角形穩(wěn)定的構(gòu)造進(jìn)一步加強(qiáng)了強(qiáng)度。菱形結(jié)構(gòu)則方便進(jìn)行機(jī)架的收納。整個(gè)支架設(shè)計(jì)采用鏤空的結(jié)構(gòu)，在降低了成本和重量，方便了機(jī)構(gòu)的折疊的同時(shí)，內(nèi)部也可以安置收納額外的線纜。

2.3 搭載元件設(shè)計(jì)

2.3.1 二級(jí)控制核心設(shè)計(jì)

二級(jí)控制核心是對(duì)于液壓和電控系統(tǒng)的二級(jí)控制點(diǎn)，將主液壓泵傳遞過來的液壓油進(jìn)行二次控制，來調(diào)整確定壓力應(yīng)該輸向哪一個(gè)輸出點(diǎn)，從而影響后續(xù)更精細(xì)的控制，實(shí)現(xiàn)更多的動(dòng)作與功能如圖4所示。

2.3.2 四指機(jī)械手設(shè)計(jì)

針對(duì)現(xiàn)行外骨骼功能有限的缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用開放式設(shè)計(jì)，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成搭載在連接機(jī)架上的元件，可拆卸，針對(duì)不同的場(chǎng)合，只需改變相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)便可完成不同的目標(biāo)任務(wù)。比如采用四指機(jī)械手可以完成許多比較精細(xì)的操作，可以在醫(yī)用、搬運(yùn)危險(xiǎn)物品、進(jìn)行危險(xiǎn)作業(yè)等方面發(fā)揮巨大作用。本設(shè)計(jì)共設(shè)計(jì)了三套可搭載的機(jī)械手，分別為三指支撐手，旋轉(zhuǎn)三爪手，以及四指機(jī)械手?，F(xiàn)以四指機(jī)械手為例進(jìn)行相應(yīng)說明，如圖4所示。

控制手指主要通過指扣來實(shí)現(xiàn)，傳感器可將手指扣動(dòng)指扣的信號(hào)經(jīng)計(jì)算后，轉(zhuǎn)化為液壓伺服系統(tǒng)的控制信號(hào)，進(jìn)而允許液壓油進(jìn)入對(duì)應(yīng)的終端液壓瓶實(shí)現(xiàn)控制。拇指位置亦裝配有小舵機(jī)，允許拇指進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而更像人的手指構(gòu)造。更大的手掌，可以抓握更多的東西。液壓提供的巨大力量，使得人作為載體獲得更大的力量。其與人手相似的設(shè)計(jì)，可以替代人手完成一些危險(xiǎn)的工作，做到以往不能完成的動(dòng)作，避免工人因?yàn)楣ぷ髟虍a(chǎn)生殘廢的風(fēng)險(xiǎn)。

指關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)，在降低了生產(chǎn)成本的同時(shí)，如果哪一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，也可以直接進(jìn)行更換，方便進(jìn)行維護(hù)，降低了更換和維護(hù)的成本。指關(guān)節(jié)之間采用微型三角形連接件相連接，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)也具有外觀上的美感。機(jī)械手的指尖設(shè)計(jì)成了凹凸橡膠指面，具有更強(qiáng)的摩擦力。手指相連的液壓管采用PC塑料。透明的PC塑料方便進(jìn)行故障的檢查，便于大幅度的彎曲，在強(qiáng)度上也能承受滿足要求的管壁壓力。整個(gè)機(jī)械手采用大量的鏤空設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減少材料的成本和重量，設(shè)計(jì)上也偏向美觀。

3 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)存醫(yī)用、軍用、民用上肢外骨骼存在穿戴不方便、體積過大等缺陷，本文利用Solidworks三維CAD軟件設(shè)計(jì)的新型民用液壓電控外骨骼/附肢，采用液壓驅(qū)動(dòng)、新型材料等創(chuàng)新方式對(duì)現(xiàn)有上肢外骨骼升級(jí)和改造，探索最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行成本等可行性測(cè)試，為解決該類型研究難題提供設(shè)計(jì)、技術(shù)參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]周加永，張昂，莫新民，等.液壓驅(qū)動(dòng)型負(fù)重外骨骼機(jī)器人液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓，2016（21）：3034.

[2]王海波，范曙遠(yuǎn)，張龍.負(fù)重型外骨骼機(jī)器人液壓閥塊流道的流場(chǎng)分析及優(yōu)化[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，054（004）：848854.

[3]賈正偉，張利劍，王道臣，等.外骨骼液壓系統(tǒng)的污染與控制[J].液壓氣動(dòng)與密封，2019，248（02）：2022.

[4]鄧明君.一種液壓驅(qū)動(dòng)上肢外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)[D]，2013.

鹽城工學(xué)院教改研究項(xiàng)目：基于LabVIEW的測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)（項(xiàng)目編號(hào)：JYKT2019B005）

*通訊作者：侯鵬亮（1977— ），男，博士，副教授，主要從事復(fù)合載荷下材料微觀力學(xué)性能原位測(cè)試技術(shù)與虛擬儀器研究。