王諾彬，李曉丹，李佳希，李正帥，陳澤勇

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

下肢外骨骼助力裝置

王諾彬，李曉丹，李佳希，李正帥，陳澤勇

（遼寧工業(yè)大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 錦州121001）

提出了一種仿生的下肢外骨骼助力裝置，依據(jù)人體的運動，為穿戴者提供輔助力。介紹了該擬人仿生助力機械腿的總體機械結(jié)構(gòu)及相關(guān)的硬件電路控制方案，編制了相應(yīng)的軟件程序。實驗證明，該助力裝置能夠幫助人減輕勞動強度。

仿生助力裝置；機械腿；系統(tǒng)設(shè)計

隨著快遞行業(yè)的高速發(fā)展，消費者購買的各種規(guī)格、重量的物品越來越多，同時帶來的就是快遞員搬運運輸問題。目前，快遞物品基本靠快遞員進(jìn)行人工搬運，不僅費時費力，而且工作效率還低，當(dāng)所搬運物品太重時，貨物容易脫手掉到地上，發(fā)生物品的破損。

為了解決工作人員費力問題，提出了一種下肢外骨骼助力系統(tǒng)，它采用電機驅(qū)動[1]，可以實現(xiàn)對人體腿部行走提供動力，通過液壓鎖死裝置與助力骨架對腳部承載重物實現(xiàn)助力支撐。它穿戴在快遞員的下肢上，在不妨礙人的基本行走功能的前提下，幫助快遞員減少搬運重物時的勞動強度，減輕快遞員工作負(fù)擔(dān)，而且能保障商品安全，使快遞員省力高效的完成搬運物品的任務(wù)，避免了邊走邊停，搖搖晃晃的情況，與人體組成了一個協(xié)調(diào)的整體。同時本文提出的裝置具有控制簡單，不用搭建復(fù)雜的控制平臺，降低成本的特點。

1 下肢外骨骼助力裝置機械結(jié)構(gòu)簡介

由于人體下肢關(guān)節(jié)較多，實現(xiàn)較為復(fù)雜，為簡化機構(gòu)，將髖關(guān)節(jié)簡化為一個球銷副[2]，只具有兩個轉(zhuǎn)動自由度（大腿前后擺和左右擺），外骨骼腰部和人體腰部固連，使人體腰部的三個自由度不受外骨骼限制，膝關(guān)節(jié)仍然為轉(zhuǎn)動副，其他自由度都由人體自由支配[3]，使得運動規(guī)律和人體自然行走步態(tài)的規(guī)律十分吻合，運動規(guī)律固定，具有較高的穩(wěn)定性，達(dá)到輔助人行走減少行走消耗的目的；同時在不增加能源情況下，可實現(xiàn)側(cè)向擺動，增加運動靈活性。本裝置直接采用電機帶動，避免了能源的二次轉(zhuǎn)換，并且小腿轉(zhuǎn)動采用了液體鎖死裝置（無需液壓泵動力源），降低了能耗，減輕了負(fù)載。

裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。驅(qū)動電機（17）固定在下肢外骨骼助力系統(tǒng)的背后電機固定架（1）上，電機軸通過萬向聯(lián)軸器（2）與固定在主動同步帶輪（16）上的軸（15）相連，并且與側(cè)向擺動裝置（3）在同一水平面上，同步帶輪軸均插入帶有軸承的法蘭盤（13）中，法蘭盤和機架固定。主動同步帶輪和從動同步帶輪（12）通過同步帶（14）傳遞扭矩，從動同步帶輪與曲柄連桿機構(gòu)（11）的一端連接，連桿機構(gòu)另一端連接到助力裝置大腿（4）外側(cè)的軸（10），配合后可以帶動大腿的抬起和落下，小腿（6）則使用液體鎖死裝置（7）的伸縮來完成抬腿動作，腳掌（8）兩側(cè)的行程開關(guān)（9）檢測行走時的重力變化。大腿、小腿以及腳掌之間使用轉(zhuǎn)動軸（5）進(jìn)行連接。每條腿均由一個驅(qū)動電機和一個液體鎖死裝置控制，所有電機和液壓裝置由控制系統(tǒng)發(fā)出不同命令進(jìn)行控制，達(dá)到對下肢外骨骼助力系統(tǒng)的控制。該裝置的大部分重量作用在髖關(guān)節(jié)，有效地降低了腿部轉(zhuǎn)動的慣量，降低了電機的能耗。

圖1 下肢外骨骼助力裝置結(jié)構(gòu)圖

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

裝置采用MC9S128單片機作為主控制器，其控制總體方案如圖2所示。外部傳感器、啟動開關(guān)、調(diào)速按鈕作為輸入信號給單片機，單片機接收外部的信號進(jìn)行處理，將處理完的信號經(jīng)光耦隔離控制外部元件驅(qū)動器和電磁閥，控制驅(qū)動電機和鎖死裝置[4-5]。其中，電機用來控制大腿轉(zhuǎn)動，液體鎖死裝置控制小腿轉(zhuǎn)動，兩個行程開關(guān)分別安裝在兩個腳掌上，用來判斷每條腿的著地情況，實現(xiàn)兩條腿交替信號的轉(zhuǎn)換；通過調(diào)節(jié)調(diào)速旋鈕發(fā)出不同的電信號給單片機，單片機識別處理，來控制電機轉(zhuǎn)速，適應(yīng)不同人的行走步伐。整體的動作過程是，按動啟動按鈕，電機開始轉(zhuǎn)動，帶動大腿連桿運動，如果感覺行走的速度較快，則通過按下減速按鈕改變控制驅(qū)動器的占空比，從而降低電機的轉(zhuǎn)速，步伐速度變小；若占空比降到最小，再次按下減速按鈕電機不在減速，保持最小轉(zhuǎn)速；如果感覺電機的轉(zhuǎn)速較慢，則通過按下增速按鈕增值控制驅(qū)動器的占空比，來提高電機的轉(zhuǎn)速，同樣當(dāng)占空比達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)速也不再增加，保持在最大速度。當(dāng)想要停止時按下停止按鈕，單片機停止發(fā)送PWM波，電機停止工作；程序初始化主要是完成對所用到的寄存器設(shè)置。具體工作流程如圖3所示。

圖2 控制總體方案

圖3 控制總體方案

基于以上設(shè)計開發(fā)的下肢外骨骼助力裝置實物如圖4所示。通過穿戴者感受，該裝置能很好的滿足功能需求，實現(xiàn)了助力。

圖4 實驗圖片

3 結(jié)束語

本文所提出的下肢外骨骼助力系統(tǒng)相當(dāng)于一個搭載器，它能根據(jù)人體運動及傳感器信息來提供助力，實現(xiàn)動力輸出，達(dá)到助力的目的；并且該裝置簡化了人體的復(fù)雜關(guān)節(jié)，具有控制簡單，成本低的特點，具有一定的推廣價值。

[1]張建民.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計[M].4版.北京：高等教育出版社，2014.

[2]孫 桓.機械原理[M].8版.北京：高等教育出版社，2013.

[3]崔啟坤.機械腿.中國，實用新型專利.1035642[P].1989.9.20.

[4]周國雄，晏密英.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計精講[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[5]李仁浩，龔思敏，楊 帆，等.基于單片機控制太陽能智能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（04）：51-53.

The Lower Limb Exoskeleton Booster

WANG Nuo－bin，LI Xiao-dan，LI Jia-xi，LI Zheng-shuai，CHEN Ze-yong
（College of Mechanical Engineer and Automation，Liaoning University of Technology，Jinzhou Liaoning121000，China）

A bionic limb exoskeleton booster was proposed to provide the wearer with the help of the body.This paper introduces the overall mechanical structure and related hardware circuit control scheme of the humanoid assisted mechanical leg，and the corresponding software program is developed.Experiments show that the booster can help reduce the intensity of labor.

bionic power booster；mechanical legs；system design

TP242.3

A

1672-545X（2017）08-0074-02

2017-05-06

王諾彬（1995-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，本科在讀，研究方向：機械電子工程；李曉丹（1982-），女，遼寧盤錦人，副教授，碩士，研究方向：自動控制。