一种下肢机械助力服设备的设计

杨帆+赵建+赵宇+张华鹏

摘 要：文章设计了一种普通民用和医疗康复用的下肢机械助力服设备，并描述了其发明目的、具体结构和工作原理。文章对于贴合人体的结构进行了改进，使得穿戴者穿着更加舒适，并采用锥齿轮传动从而改变电机放置方向，使得整个设备更为紧凑。在满足助力服助力功能的前提下，突出了轻便、成本较低、能耗较少的特点。

关键词：下肢助力服；医疗器械；民用设备

中图分类号：TH122 文献标志码：A 文章编号：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

機械助力服类似的设备是从1963年美国外弹道实验室的Zaroodny发表的报告开始萌芽的。早期阶段的代表性机械外骨骼是美国通用电气公司的Hardiman，但是由于技术原因，该设备只实现了一只手臂的力量提升[1]。21世纪以来，以美国、日本为首的外骨骼研发机构是该类设备的主要推动力。美国的成果产品大多立足于军队装备，着眼于大幅度提升人体机能，所以存在巨大耗能的问题，能源供应问题一直没办法解决[2]。日本的骨骼服项目有HAL系列“混合辅助腿”[3-4]、本田公司的助力机械腿[5]、东京大学的能量辅助服[6]。其中HAL系列是较为成功的先例，但是其下肢辅助的能力并未得到有效的提升，市场前景还尚不明朗，可改进的方面还有很多[7]。此外还有韩国汉阳大学开发的骨骼服[8]等国外较为前列的研究成果。

国内在这方面的研究起步较晚，大概在2004年前后才有相关研究出现。浙江大学首先对于基于外骨骼的远程遥操作系统进行了一些研究，但其侧重点在于遥控操作，其本质还是主从控制方式，与骨骼服的思想相去甚远[9]。哈尔滨工业大学针对下肢残疾患者的助力机器腿进行了研究，获得了人体运动数据[10]。此外，还有包括中国科技大学、华东理工大学、南京理工大学、东南大学和香港大学对骨骼机做了一定的初级研究工作[11]。另外，2017年3月傅里叶智能公司发布了国内首款民用下肢助力服设备，但是距离功能完善的产品仍然有一定的差距。

总体来看，国内在骨骼服研究方面起步较晚，至今没有完全功能化的样机问世。因此，加快进行骨骼服各项技术的研究，对于提高我国骨骼服技术研究水平，填补国内空白具有重要意义[12]。

1 原理简介

由于本设备是助力行走的人体同步机器人，为了方便阐述其工作原理，这里先对人体的行走过程做一个简要说明。

人体行走分为支撑相和摆动相，支撑相就是腿部着地支撑身体的时间段；摆动相就是腿部在空中摆动的时间段。本发明为人机耦合设备，与人体同步动作，所以外骨骼行走也遵循支撑相和摆动相。其中支撑相又可以分为支撑相初期（腿部刚接触地面阶段），支撑相中期（腿部弯曲接触地面阶段），支撑相末期（腿部马上进入摆动相阶段）。人体在行走的支撑相初期时，腿部与地面开始接触，为了避免突然触地振动过大，此时需要的关节刚度最小；人体在行走的支撑相中期时，腿部正式与地面接触，需要起到支撑重量的作用，此时需要的关节刚度最大；人体在行走的支撑相末期时，腿部开始与地面分离，需要运动灵活，此时需要的关节刚度较小。

该设备的工作过程和人体行走的过程相似。

（1）首先一只腿进入摆动相，主要发力组件为髋关节组件。电机带动大腿杆抬升，此时的膝关节的目的组件基本处于自由摆动阶段，以达到最大程度节省能量的目的，此时的前腿脚踝弹性板势能为零。同时另一只支撑腿为支撑相中期，需要最大的关节刚度，此时的后腿脚踝弹性板势能储蓄达到整个行走过程的最大值。

（2）然后前腿进入支撑相初期，脚部组件开始与地面接触，前脚脚踝弹性板进行蓄能，起到减振作用，膝关节电机开始运作，抵抗接触地面带来的反作用力，髋关节电机反向转动，将整个身体拖向前进方向。同时另一只腿进入支撑相末期，脚底板开始与地面分离，脚踝弹性板开始释放能量，膝关节电机运作，将脚部组件带离地面，髋关节电机正向转动将后腿往前拖动。

（3）然后是前腿进入支撑相中期，需要最大的关节刚度，此时的前腿脚踝弹性板势能储蓄达到整个行走过程的最大值。后腿相反得，进入摆动相，主要发力部分为髋关节组件，膝关节组件几乎不发力，同样也是为了减少能耗和提高行走的连贯稳定性，脚踝弹性板势能变为零。

（4）至此，前腿和后腿位置互换，后续动作交叉重复即可完成助力行走的任务。endprint

2 机械结构设计

由图3所示，此设备为下肢外骨骼机器人，包括1-背包、2-腰部包覆组件、3-髋关节组件、4-大腿杆、5-膝关节组件、6-小腿杆、7-脚部组件，所述髋关节组件、大腿杆、膝关节组件、小腿杆、脚踝弹性板、脚底板均为一对。背包内安装有锂电池和控制器。腰部包覆组件和髋关节组件相连接，两个大腿杆上端与髋关节组件铰接、下端分别与膝关节组件相连，所述小腿杆两端分别与膝关节组件及脚踝弹性板相连，髋关节组件及膝关节组件均与背包内控制器和锂电池相连。

腰部包覆组件包括中心板、腰部束缚带和两个L型杆。所述中心板为贴合人体腰部外形的不规则型硬质塑料，左右两端下侧分别与一L型杆固定连接。所述束缚带是柔软弹性材料，与中心板顶部固定连接。

髋关节组件包括两个圆形套环、髋关节电机、髋关节减速器、锥齿轮和枢轴。所述圆形套环之一与腰部包覆组件的下端橫杆的下端部固定连接，髋关节电机垂直放置，其外壳与腰部包覆组件的下端横杆固定连接，髋关节电机输出轴与髋关节减速器连接，髋关节减速器下端安装有锥齿轮，另一锥齿轮与另一圆形套环固定连接，另一圆形套环与大腿杆固定连接，两锥齿轮直角啮合。枢轴设置在两个圆形套环之间、且两端与两圆形套环套环的内孔配合。

膝关节组件同样包括两个圆形套环、膝关节电机、膝关节减速器、锥齿轮和枢轴。所述圆形套环之一与大腿杆的下端固定连接，膝关节电机垂直放置，其外壳与大腿杆的下端固定连接，膝关节电机输出轴与膝关节减速器连接，膝关节减速器下端安装有锥齿轮，另一锥齿轮与另一圆形套环固定连接，另一圆形套环与小腿杆固定连接，两锥齿轮直角啮合。枢轴设置在两个圆形套环之间、且两端与两圆形套环的内孔配合。

小腿杆包括小腿下杆和L型小腿上杆。所述小腿下杆与膝关节圆形套环固定连接，直杆下端与L型弯曲杆固定连接，L型弯曲杆下端与脚踝弹性板铰接。

如图4所示，脚踝弹性板为7.2-板簧和7.1-固定版组成。其中固定板上端与小腿杆下端铰接，固定板下端与板簧固定连接。板簧下端弯曲，并与脚底板固定连接。

如上所述，本设备机械结构方面相比于现有产品，有以下优点：

该下肢助力服的大腿杆与小腿杆处均设计既可用作长度调节，又可提供被动旋转自由度的杆长伸缩调节杆；脚踝处设计有板簧弹性板；以及整体的行走过程利用势能转化充分节省能量，延长设备续航时间，降低控制复杂性，大幅压缩成本，使助力服设备民用的可能性大大提高。采用医疗康复用下肢固定架作为主要固定绑腿结构，令使用者更加舒适。

3 控制系统设计

该设备的核心控制在于使机器人与人体动作同步，并产生助力效果，这需要多个传感器和控制器的协同工作。为了避免动作延迟，阻碍人体动作进行，我们采用了闭环控制与预设主动程序相结合的控制方式。具体的控制流程如下流程图5所示。

如图5所示，该设备的控制系统由总控制器PLC、执行电机、传感器和人体组成。作为人机交互系统，人体也是其中必不可少的一部分。在前期实验室数据采集阶段，我们采集了人体行走时的步态数据，并在总控制器中输入了初始控制程序（程序略）。

压力传感器分别安装在脚底、大腿贴合处、小腿贴合处。为了达到人机同步运动，设备不阻碍人体正常动作，必须让助力服和人体之间的相对压力始终保持为零。这需要传感器实时传递数据给总控制器，总控制器协调执行电机进行负反馈调节。

扭矩传感器分别安装在髋关节、膝关节处。同样，为了人机同步运动，必须也让助力服与人体之间的相对扭矩始终保持为零。同上，通过反馈数据给总控制器进行负反馈调节。

人体是该设备的实际动作选择者。人体可以根据自己的想法改变下体动作，同时给予安装在各处的传感器以刺激，从而驱动下肢助力服进行同步运动。

此外，本设备还具有学习能力。对于不同的操作者，步态数据不尽相同。主控制器中留存了存储空间进行步态数据的调整更新。每一次的反馈-负反馈调节中，控制器都将记录下使用者的行走数据，并应用到下一个行走摆腿过程循环中。

4 结束语

（1）现有技术的缺点

成本昂贵，一般家庭难以负担；续航时间短，供能设备笨重或者不具有户外使用的能力；功能冗余，结构复杂不便于制造维护；穿戴舒适性差，与人体贴合程度不高。

（2）本发明的特点

本论文所述的下肢机械助力服设备立足于方便实用廉价，在满足基本行走、助力、医疗康复功能的前提下，对整个下肢助力服设备进行简化与整合，省去不必要的功能和结构。并采用医疗康复用下肢固定架作为主要固定绑腿结构，令使用者更加舒适。该设备使用背包式锂电池作为从而实现成本低使用效果良好的目的。

参考文献：

[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]杨智勇，顾文锦，张静，等.单兵负荷骨骼服的力控制理论与方法[M].北京：国防工业出版社，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.基于外骨骼技术的机器人远程控制[D].浙江大学，2004.

[10]王岚，王婷，张立勋，等.助力机器腿仿真研究[J].机械设计，2006，23（9）：12-15.

[11]牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制机理研究与实现[D].浙江大学，2006.

[12]杨智勇，顾文锦，张静，等.单兵负荷骨骼服的力控制理论与方法[M].北京：国防工业出版社，2013：12-14.endprint