一种上肢助力外骨骼结构设计与仿真分析

解 利 尚雅层 常 宏

（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安北辰亿科电子科技有限公司，西安 710399）

科学技术的发展使得重型货物的搬运工作逐渐由机械设备代替，但是在特殊复杂环境下，如灾难救援和军事领域[1]，仍需依靠人力进行远距离重物搬运。虽然已有辅助人体搬运重物的器械，但是这类器械仅可在特定工作场合辅助人体完成工作，大部分情况下仍需依靠人体力量搬运货物[2]。然而，人体长时间进行远距离搬运物资的能力有限，因此研究一种能在复杂环境中帮助人体远距离持重搬运的助力装置十分必要。主动式外骨骼和被动式外骨骼是两种主要的外骨骼[3]。主动式外骨骼通常由驱动系统（如电机、气动系统、液压系统等）提供助力，而被动式外骨骼通过弹性构件在运动期间储存和释放能量帮助人体工作[4]。虽然有源外骨骼能够提供助力[5]，但是增加了动力源，导致重量大、成本高且设计复杂。为了减少人在搬运过程中的肌肉损伤，需要设计一种适合在远距离搬运中为人体提供助力的外骨骼，并进行仿真分析，以验证其结构设计的合理性。

1 结构设计

1.1 设计思路

考虑人手臂的结构复杂性和抬举作业时手臂运动的单一性，使用类似吊绳机构驱动手臂助力。日常生活中，常常可见用吊绳机构拉动重物到高处。抬举动作与之类似，人在搬起重物时主要依靠手臂肌肉力量向上抬起，因此考虑使用编织带沿着肩部驱动手臂向上运动完成搬运动作，并保证手臂动作的灵活性。为便于穿戴，将外骨骼设计为双肩背包结构，在满足人体运动辅助的前提下，简化结构。因此，在考虑人机协同与系统集成的基础上，合理配置外骨骼结构，最终确定外骨骼总体机械结构如图1 所示。

图1 上肢外骨骼系统设计

为使外骨骼重量轻且能够提供较大助力，考虑使用卷簧作为驱动结构，以齿轮机构放大所需力矩驱动助力带为手臂提供向上的拉力。外骨骼的工作原理是将助力带一端与穿戴手套连接，另一端与外骨骼壳体内部驱动结构连接。在搬运过程中，向下抓取重物即伸肘时，手臂驱动助力带及带盘，并驱动齿轮使卷簧收缩蓄力；向上抬起重物即屈肘时，卷簧释放能量驱动齿轮减速机构放大力矩，并通过带盘和助力带，然后通过导向机构翻转助力带，对人体手臂产生一个向上的拉力达到助力效果。卷簧因传动带的拉出而蓄能，且拉出的长度越长蓄能越大，对手臂的拉力越大。

1.2 助力建模分析

为分析外骨骼搬运助力效果，建立人体穿戴外骨骼搬运重物模型，分析人体搬起重物过程中外骨骼对人体手臂助力效果，如图2 所示。其中：L0为人体前臂长度；α为前臂与水平面所成角度；β为助力带与前臂所成角度；M为重物质量；m为人体前臂质量；T为手臂肌肉产生的力矩；F为助力带对手臂产生的拉力。从外骨骼对手臂的助力分析来看，助力带通过对手臂产生斜向上的拉力来减少手臂肌肉的发力。

图2 外骨骼助力示意图

前臂对手臂肘关节产生的力矩T1为

重物对手臂肘关节产生的力矩T2为

外骨骼助力带对手臂肘关节产生的力矩T′为

此时达到力矩平衡，即有

可得穿戴外骨骼后手臂肌肉产生的力矩T为

未穿戴外骨骼时，手臂肌肉产生的力矩T0为

可得

此时，可求出外骨骼的助力效率η为

2 仿真分析

2.1 上肢搬运动作运动学仿真

人在实际搬运重物时，主要依靠上肢肘关节和肩关节的共同作用完成肌肉的弯曲和伸展。分析人体上肢搬运动作的运动学验证外骨骼的适用性。

搬运动作主要涉及手臂的3 个自由度，分别为肩关节的内收/外展、前屈/后伸、肘关节处的屈伸。对单侧手臂建立D-H 坐标系，依据D-H 坐标系确立的各连杆的D-H 参数如表1 所示。由于肩关节处有2 个自由度，此时连杆a1长度为0 mm，连杆a2为人体的上臂长度，连杆a3为人体前臂长度。

表1 单侧手臂搬运动作D-H 参数表

根据表1 在MATLAB 中建立运动学仿真模型。在搬运过程中，手臂肩关节的内收/外展的活动范围为内收10°至外展10°，前屈/后伸的活动范围为前屈45°至后伸15°，肘关节的屈伸活动范围为0°～90°，故可以确定θ1的取值范围为-10°～10°，θ2的取值范围为-105°～-45°，θ3的取值范围为0°～90°，可得到手臂搬运时的运动空间如图3 所示。

图3 手臂运动空间

由所得人体手臂运动工作空间可知，在手臂所能到达活动范围工作情况下，由于外骨骼使用助力带带动手臂，助力带可随手臂在该范围的空间内活动。可见，设计的外骨骼可满足预期设计和相应的工作需求。

2.2 动力学仿真

使用ADAMS 软件对设计的上肢助力外骨骼机器人进行仿真分析，考虑模型的复杂性，将外骨骼简化为一个齿轮结构与绳索结构相结合的模型。将外骨骼中的齿轮减速机构保存为Parasolid.(x_t)文件导入ADAMS，然后在ADAMS 软件中构建绳索滑轮机构代替实际模型中的助力带导向机构及肩座模型，最后在绳索末端添加质量为 5 kg 的重物，结构如图4所示。

图4 上肢结构导入

完成模型的重构后为模型添加约束，因小齿轮为驱动机构，故将驱动添加在小齿轮上的转动副处。ADAMS 仿真结束后，选择大齿轮输出轴上的标记点得到所受的力矩变化曲线，这里仅绘制一个重物在上升和下降一个周期内的力矩曲线图，辅助力矩最大可达到1 N·m 以上。由图5 可知，外骨骼可为人体提供符合要求的力矩，符合预期设计。

图5 ADANS 仿真结果

3 结语

针对远距离人工搬运，设计了一种通过卷簧带动齿轮减速机构来为人体手臂助力的无源上肢助力外骨骼。通过建立穿戴外骨骼人工搬运模型，从理论上分析外骨骼的助力效率，分别对手臂搬运动作和外骨骼进行运动学分析和动力学仿真，结果满足设计需求，可为下一步实验奠定基础。