助老型機(jī)械外骨骼的初步設(shè)計(jì)

胡志廣，吳楠

[摘? ? 要]目前，隨著我國(guó)人口老齡化的問(wèn)題使得人們對(duì)幫助老年人的生活起居有著迫切的需求。本文針對(duì)未來(lái)老齡化的現(xiàn)象提出助老型機(jī)械外骨骼的初步設(shè)計(jì)方案，以幫助正常但行走困難的老年人助力順暢行走。本文設(shè)計(jì)的助老型機(jī)械外骨骼不同于軍事或工業(yè)機(jī)械外骨骼，它具有質(zhì)量輕，體積小，價(jià)格親民并且穿戴方便的優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)探究初步設(shè)計(jì)機(jī)械外骨骼機(jī)構(gòu)、工作方式以及材料，并通過(guò)分析已有的典型模型加以創(chuàng)新最終形成助老型機(jī)械外骨骼的初步設(shè)計(jì)方案。

[關(guān)鍵詞]機(jī)械外骨骼;助老;研究現(xiàn)狀;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)]TP242 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–00–03

Preliminary Design of the Old-Aid Mechanical Exoskeleton

Hu Zhi-guang，Wu Nan

[Abstract]Nowadays， with the aging of our country's population， people have an urgent need to help the elderly in their daily lives. This article proposes a preliminary design plan for the elderly-assisting mechanical exoskeleton in view of the phenomenon of aging in the future， to help the elderly who are normal but have difficulty walking to help smooth walking. The mechanical exoskeleton designed in this paper is different from military or industrial mechanical exoskeleton. It has the advantages of light weight， small size， affordable price and convenient wear. This paper explores the preliminary design of mechanical exoskeleton mechanisms， working methods and materials， and analyzes existing typical models to innovate and finally forms a preliminary design plan for the old-fashioned mechanical exoskeleton.

[Keywords]Mechanical Exoskeleton; Helping the Elderly; Research Status; Structural Design

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局最新在國(guó)新辦發(fā)布會(huì)上發(fā)布的第七次全國(guó)人口普查關(guān)鍵數(shù)據(jù)，我國(guó)人口2021年的老年人數(shù)相對(duì)于2020年上升了5.44 %，而相對(duì)的青少年乃至成年人的人口總數(shù)下降了6.79 %。因此，逐年增加的老年群體對(duì)養(yǎng)老、醫(yī)療、社會(huì)服務(wù)等方面需求越來(lái)越大，老年人體能下降并且容易生病，醫(yī)療衛(wèi)生消費(fèi)支出壓力也越來(lái)越大?；谝陨蠁?wèn)題，如果有一款穿戴設(shè)備可以幫助老年人日趨下降的體能，會(huì)很大程度地給老年人帶來(lái)幸福，也會(huì)給老年人的家人帶來(lái)放心。

1 機(jī)械外骨骼研究現(xiàn)狀

人體機(jī)械外骨骼最早研發(fā)于20世紀(jì)60年代末用于軍事領(lǐng)域，用來(lái)增加士兵的負(fù)荷能力，隨著社會(huì)的發(fā)展逐步進(jìn)入民用領(lǐng)域、醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。

1.1 國(guó)外外骨骼研究現(xiàn)狀

目前，美國(guó)在外骨骼軍事化領(lǐng)域方面較為領(lǐng)先，俄羅斯、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)也在進(jìn)行積極地研發(fā)。而在民用領(lǐng)域，美國(guó)、日本、以色列、韓國(guó)等都具有較強(qiáng)的研發(fā)能力，也具有顯著的研究成果及實(shí)際應(yīng)用成果。其中較為有代表性的企業(yè)有美國(guó)EKSO公司、日本Cyberdyne公司、美國(guó)SuitX公司、以色列ReWalk Robotics公司、美國(guó)Parker Hannifin公司、韓國(guó)現(xiàn)代公司等。美國(guó)SuitX公司與加州大學(xué)伯克利分校的機(jī)器人及人體工程學(xué)研究室進(jìn)行合作，并于2016年研發(fā)推出輕量級(jí)可負(fù)重外骨骼系統(tǒng)SuitX Phoenix，主要為脊髓病人服務(wù)，可以幫助行走障礙的人獨(dú)立站立并行走，售價(jià)4萬(wàn)美元，電池續(xù)航約8 h。SuitX公司隨后還推出MAX系統(tǒng)，主要幫助工人承受作業(yè)時(shí)的重負(fù)荷，已有碼頭、建筑工地、倉(cāng)庫(kù)、甚至飛機(jī)制造商波音公司成為其客戶，其MAX系統(tǒng)的三個(gè)模塊BackX 、ShoulderX和LegX的售價(jià)分別是3 000美元、3 000美元和5 000美元，如圖1、圖2所示。

1.2 國(guó)內(nèi)外骨骼研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)機(jī)械外骨骼的研究起步較晚，但在軍事與醫(yī)療領(lǐng)域的研究也比較突出，國(guó)家自然科學(xué)基金863計(jì)劃和科技支撐計(jì)劃等都已經(jīng)開始著重關(guān)注這方面的研究。例如，浙江大學(xué)研究的可穿戴式下肢輔助行走外骨骼機(jī)構(gòu)、基于肌電信號(hào)控制的康復(fù)醫(yī)療下肢外骨骼、懸掛式下肢協(xié)助康復(fù)外骨骼、踝關(guān)節(jié)外骨骼原型系統(tǒng)等;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的外骨骼研究針對(duì)上肢和下肢的康復(fù)訓(xùn)練;海軍航空院已研制出有動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的外骨骼助力腿樣機(jī);電子科技大學(xué)研制的基于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)的助力型外骨骼系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)行走、轉(zhuǎn)體、下蹲等動(dòng)作，并通過(guò)多通道智能人機(jī)交互技術(shù)和分布式實(shí)時(shí)控制技術(shù)大幅提升樣機(jī)性能的穩(wěn)定和可靠性;中科院也已研制出一種下肢外骨骼機(jī)器人，在單條機(jī)械腿上配置了6個(gè)自由度（機(jī)械髖關(guān)節(jié)3個(gè)，機(jī)械膝關(guān)節(jié)1個(gè)，機(jī)械踝關(guān)節(jié)1個(gè)，足底1個(gè)）;清華大學(xué)、陸軍第二炮兵學(xué)院、中科院合肥智能研究所、東南大學(xué)、南京理工大學(xué)、上海大學(xué)、東南大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等科研單位都已經(jīng)涉入外骨骼技術(shù)的研究。

2 機(jī)械外骨骼結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

下肢助行外骨骼機(jī)器人需要與穿戴者緊密結(jié)合能夠隨身體運(yùn)動(dòng)，并且為下肢各個(gè)關(guān)節(jié)提供助力的一體化設(shè)備。

（1）安全性。最基本的要求就是保證穿戴者的安全，因此需要采用具有一定強(qiáng)度的且輕便的材料來(lái)保證安全性。

（2）適應(yīng)性。由于不同人的腰圍和腿的長(zhǎng)度等參數(shù)各有差異，所以設(shè)計(jì)的外骨骼需要可以根據(jù)不同人的身體特征調(diào)節(jié)自身尺寸，確保在使用的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)不匹配的情況;為了增強(qiáng)外骨骼穿戴的舒適程度，還需要外骨骼具備一定仿生性。

（3）合理性。外骨骼作為助力的主要來(lái)源不僅需要輸出足夠大的扭矩，還要具有質(zhì)量小，節(jié)奏緊湊，體積輕便于攜帶和拆卸的特點(diǎn)。所以選擇外骨骼驅(qū)動(dòng)方式是設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

2.2 結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)

采用電機(jī)、帶輪、剎車線作為主要結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

2.3 步態(tài)分析

以下步態(tài)階段劃分過(guò)程中右腿腳后跟剛開始接觸作為初始時(shí)刻進(jìn)行分析;

第一階段：觸地開端，表示右腳后跟向前揮動(dòng)至與地面接觸的時(shí)刻，可以被定義為步態(tài)周期的起始階段。

第二階段：體重傳遞，表示右腳腳掌和地面的接觸面積慢慢增大，直到右腳腳尖即將離開地面開始擺動(dòng)的狀態(tài)過(guò)程，此時(shí)身體重心逐漸從左側(cè)下肢轉(zhuǎn)移到右側(cè)下肢。

第三階段：支撐中期，左腳離開地面，開始向前揮動(dòng)，將從后向前超越右腿位置直至左側(cè)小腿與地面垂直，此時(shí)身體重心將從后傾狀態(tài)轉(zhuǎn)換為前傾狀態(tài)。

第四階段：支撐末期，左腿繼續(xù)揮動(dòng)，直到腳后跟接觸地面，該時(shí)期身體軀干隨著左腿向前傾斜。

第五階段：擺腿準(zhǔn)備，左腿腿掌逐漸與地面完全接觸，直到右腿腳后跟抬起，只剩下腳尖接觸地面。

第六階段：擺腿開端，該階段右腿開始揮動(dòng)，從離開地面揮動(dòng)至左腿靠攏。

第七階段：擺腿中期，右腿將從靠近左腿位置揮動(dòng)至右側(cè)小腿與地面垂直。

第八階段：擺腿末期，右腿將從小腿與地面垂直位置揮動(dòng)至腳后跟，再次與地面接觸，完成一個(gè)步態(tài)周期。

2.4 工作邏輯

外骨骼整理由電機(jī)啟動(dòng)，由電機(jī)帶動(dòng)帶輪使剎車線做收縮和延伸的動(dòng)作，大腿和小腿分別用兩根剎車線所固定，當(dāng)邁步時(shí)電機(jī)通過(guò)帶輪使大腿端剎車線進(jìn)行收縮，同時(shí)帶動(dòng)小腿剎車線收縮完成抬腿動(dòng)作，此時(shí)另一條腿固定不動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到抬起的腳完全落在地面上時(shí)，另一條腿開始運(yùn)轉(zhuǎn)，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)行走的運(yùn)動(dòng)。

3 機(jī)械外骨骼驅(qū)動(dòng)方式分析

目前我國(guó)穿戴式外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)主要有電機(jī)、氣壓、液壓等。氣壓驅(qū)動(dòng)通過(guò)大氣直接獲得，處理方便，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，使用操作也相對(duì)安全，便于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，但目前氣動(dòng)系統(tǒng)壓力不高，所以輸出壓力不會(huì)很大，而且傳動(dòng)效率比較低，排氣噪聲較大。液壓驅(qū)動(dòng)雖然具有較為廣泛的應(yīng)用，能夠輕易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化借助各種控制閥特別是液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時(shí)，能容易地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的工作循環(huán)，而且可以實(shí)現(xiàn)遙控，但液壓系統(tǒng)中的漏油等因素影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和正確性，使得液壓傳動(dòng)不能保證嚴(yán)格的傳動(dòng)比，而對(duì)油溫變化比較敏感。溫度變化使液體黏性發(fā)生變化，使得工作的穩(wěn)定性受到影響，所以不宜在溫度變化很大的地域穿戴，液壓驅(qū)動(dòng)要求有獨(dú)立的能源不能像電源那樣方便。電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于拆卸，運(yùn)動(dòng)精度高，沒(méi)有煙塵，無(wú)氣味，不污染環(huán)境，噪聲小。耗能低工作效率能達(dá)到95 %以上。后期維護(hù)方便，雖然大推力的電機(jī)驅(qū)動(dòng)成本較高，但用于助老外骨骼機(jī)械是絕佳選擇，因此電機(jī)是應(yīng)用最為廣泛的外骨骼驅(qū)動(dòng)器。

4 驅(qū)動(dòng)電機(jī)及剎車線型號(hào)選擇

在電機(jī)的選用采取通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)進(jìn)行比較，探究最適合可穿戴外骨骼的驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，并且會(huì)在較高轉(zhuǎn)速時(shí)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600 r/min，而交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，轉(zhuǎn)速一般為2 000～3 000 r/min，兩者都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)的現(xiàn)象，振動(dòng)頻率與負(fù)載和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)，這種步進(jìn)電機(jī)的工作原理所造成的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)很不利。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，也便于調(diào)整。通過(guò)探究步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的過(guò)載能力雖然步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有伺服電機(jī)那么有過(guò)大的過(guò)載能力，不過(guò)在人體穿戴的助老機(jī)械外骨骼裝備不需要那么大的力矩，避免出現(xiàn)力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。

步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)具有最大的轉(zhuǎn)矩（當(dāng)繞組激磁時(shí)），而且精度在3 %～5 %，不會(huì)將一步的誤差積累到下一步。因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)具有優(yōu)秀的啟停和反轉(zhuǎn)相應(yīng)，將負(fù)載直接連接到電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上也可以極低速的同步旋轉(zhuǎn)，但由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。伺服電機(jī)無(wú)電刷和換向器，因此工作可靠，對(duì)維護(hù)和保養(yǎng)要求低。而且定子繞組散熱比較方便，慣量小，易于提高系統(tǒng)的快速性也適用于高速大力矩工作狀態(tài)。不過(guò)伺服電機(jī)在運(yùn)作時(shí)會(huì)出現(xiàn)電刷磨損的粉末，無(wú)法在干凈的環(huán)境下使用，電刷有消耗還需要保養(yǎng)。

由于伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的制造成本和技術(shù)含量相對(duì)較高，因此價(jià)格也比步進(jìn)電機(jī)高了不少，尤其是伺服電機(jī)價(jià)格差距更大。近年來(lái)國(guó)產(chǎn)伺服電機(jī)發(fā)展很快，有了不少品種的伺服電機(jī)可供選擇，性價(jià)比也較高。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的工作場(chǎng)景也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可能會(huì)成為主要的助老型機(jī)械外骨骼驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

剎車線的選用，采取市場(chǎng)普遍的剎車線即可。禧瑪諾，佳威的尊爵都是不錯(cuò)的選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)老齡化進(jìn)程的加快和肢體殘障人員數(shù)量增多，機(jī)械外骨骼能夠幫助人們提高生活質(zhì)量這一明顯優(yōu)勢(shì)顯示出巨大的應(yīng)用前景，相關(guān)研究也在不斷深入。相信在不久的將來(lái)，機(jī)械外骨骼在推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步、幫助人們節(jié)省體力、改善生活品質(zhì)等方面會(huì)起到相當(dāng)重要的作用。本文對(duì)助老型機(jī)械外骨骼的機(jī)構(gòu)進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，但是還不夠完善，期待后期盡快完善設(shè)計(jì)并市場(chǎng)化，盡快地給老年人帶來(lái)方便和幸福。

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