外骨骼搬運系統(tǒng)下肢機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳曉航 張紅霞 桂偉

（武漢商學(xué)院機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北武漢 430056）

外骨骼搬運系統(tǒng)下肢機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

陳曉航 張紅霞 桂偉

（武漢商學(xué)院機電工程與汽車服務(wù)學(xué)院，湖北武漢 430056）

外骨骼搬運系統(tǒng)下肢機械是一種助力外骨骼裝置，其可應(yīng)用于快遞和醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)通過能源裝置提供外動力，與機械傳動系統(tǒng)及控制測試系統(tǒng)一起輔助穿戴者完成搬運過程中的各項動作，能夠節(jié)省使用者體力，并能提供額外的助力。本文就下肢機械結(jié)構(gòu)設(shè)計思路進(jìn)行詳細(xì)的論述，并用Solidworks?Simu?lation軟件進(jìn)行有限元分析，以確定外骨骼系統(tǒng)在制造完成后各部分能滿足設(shè)計要求。

外骨骼；下肢機械；結(jié)構(gòu)設(shè)計

可穿戴式的下肢外骨骼技術(shù)越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。機械外骨骼裝置既可用作輔助下肢殘障人士行走或康復(fù)訓(xùn)練的醫(yī)療裝置，也可用作負(fù)載行走時的助力裝置，在民用及軍用領(lǐng)域均有較好的應(yīng)用前景［1-3］。目前，國內(nèi)關(guān)于機械外骨骼裝置的應(yīng)用均在軍事、醫(yī)療和科研技術(shù)領(lǐng)域，并且用于軍事領(lǐng)域的裝置的技術(shù)都是保密的，造價昂貴，限制了其在民用領(lǐng)域的應(yīng)用?；诖耍Ｍㄟ^創(chuàng)新來設(shè)計出一款經(jīng)濟實用的外骨骼機構(gòu)，用于快遞，實現(xiàn)創(chuàng)新化、經(jīng)濟化［4-6］、大眾化的外骨骼設(shè)計。

1 技術(shù)要求

本項目有以下4點技術(shù)要求：①盡量遵循擬人原則，外骨骼各肢體關(guān)節(jié)等機械形狀和尺寸參照人體，并在合適范圍內(nèi)具備適應(yīng)不同體型、身高人群的能力；②外骨骼各關(guān)節(jié)如膝、髖、踝關(guān)節(jié)，自由度要考慮到人體相應(yīng)關(guān)節(jié)，確保其運動形式與人的運動形式相同，而且各關(guān)節(jié)要有一定的運動范圍，使其既不限制人體運動又確保動作安全；③能適應(yīng)倉儲點復(fù)雜的使用環(huán)境，在驅(qū)動系統(tǒng)方面要滿足體積小，供電方案合理，并且能夠提供足夠大的力矩或扭矩和良好的散熱性能；④膝蓋結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)鎖止，機械膝關(guān)節(jié)處須有機構(gòu)能夠迅速響應(yīng)人體的需求和控制器的指令，在準(zhǔn)確的時間段實現(xiàn)鎖止功能。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 踏板結(jié)構(gòu)設(shè)計

踏板結(jié)構(gòu)主要結(jié)構(gòu)由足踏板、踏板內(nèi)側(cè)卡扣、踏板外側(cè)卡扣、纖維綁帶、壓力傳感器和加速度傳感器組成。足踏板上與人體的前腳掌和后腳跟相對的位置處各設(shè)置一個壓力傳感器和加速度傳感器，足踏板與人體的腳部使用綁帶綁定；在足踏板的內(nèi)側(cè)和外側(cè)分別設(shè)置一個卡扣，卡扣上設(shè)置有系帶孔，該系帶孔中穿設(shè)有纖維綁帶，通過纖維綁帶將踏板固定在人腳上。圖1所示為踏板結(jié)構(gòu)圖。

圖1 踏板結(jié)構(gòu)圖

2.2 踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

踝關(guān)節(jié)主要結(jié)構(gòu)由足直角支撐、踝關(guān)節(jié)軸承球頭、踝關(guān)節(jié)軸承支撐、小腿調(diào)節(jié)螺桿和小腿下支桿組成。足直角支撐通過踝關(guān)節(jié)軸承球頭與踝關(guān)節(jié)軸承支撐相連接；小腿調(diào)節(jié)螺桿，其兩端設(shè)置有外螺紋，小腿調(diào)節(jié)螺桿的一端與桿端關(guān)節(jié)軸承的外圈螺紋連接；小腿下為伸縮桿，底部設(shè)置有一螺紋孔，而且通過該螺紋孔與小腿調(diào)節(jié)螺桿的另一端的螺紋連接。圖2所示為踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖。

2.2.1 螺栓許用剪應(yīng)力。［τ］=σs/Sτ。根據(jù)材料類型，查表得σs=360MPa；按控制預(yù)緊力確定安全系數(shù)，Sτ= 1.2。因此，［τ］=σs/Sτ=360/1.2MPa=300MPa。

查《機械設(shè)計手冊》，選粗牙普通螺紋小徑大于2.52mm的螺紋M10，其小徑d1=8.7mm，大于2.52mm，故滿足強度要求。

2.2.2 螺栓許用擠壓應(yīng)力。［σp］=σs/Sp。根據(jù)材料類型，查表得σs=610MPa，安全系數(shù)Sp=1.4。因此，［σp］=σs/ Sp=610/1.4MPa=435.71MPa。

由強度條件可確定螺栓的最小直徑d0為d0≥F/（δz［σp］）。根據(jù)實際情況，外載荷F=1 500N，螺栓數(shù)目z=1，對象受壓最小高度δ=0.8mm。因此，d0≥F/（δz［σp］）=1 500/（0.8×1×435.71）mm=4.303mm。

查《機械設(shè)計手冊》，選粗牙普通螺紋小徑大于4.303mm的螺紋M10，其小徑d1=8.7mm，大于4.303mm，故滿足強度要求。

2.2.3 螺栓疲勞強度校核。許用應(yīng)力幅［σa］=εKt?Kuσ-11/（KσSa）。螺栓材料按45鋼查表得σ-11=200Mpa；Kt為螺紋制造工藝系數(shù)，對切制螺紋Kt=1；Ku為受力不均勻系數(shù)，對受壓螺紋Ku=1；ε為尺寸系數(shù)，對M10螺栓ε=1；Kσ為缺口應(yīng)力集中系數(shù)，抗拉強度σb=200MPa時，Kσ=2.1；Sa為應(yīng)力幅安全系數(shù)，經(jīng)查表，按控制預(yù)緊力確定安全系數(shù)Sa=2.5。將上述相關(guān)參數(shù)帶入許用應(yīng)力幅計算式：［σa］= εKtKuσ-11/（KσSa）=1×1×200/（2.1×1.5）MPa=63.49MPa。由于σa＜［σa］，故螺栓的疲勞強度安全。

3 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)組成

膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)主要由大腿下、小腿上、膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸、GB/T276-94深溝球軸承62800-2Z和鎖止機構(gòu)組成（見圖3），鎖止機構(gòu)包括膝蓋上、膝蓋下、膝蓋下底、推拉式電磁鐵幾部分，腿部卡扣包括調(diào)節(jié)套筒和蝶形卡扣兩部分。

圖3 膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

膝蓋上與大腿組件的下部可拆卸地連接；膝蓋下內(nèi)部中空體與小腿組件的上部可拆卸地連接，在頂部設(shè)置有通孔；鎖止軸，其設(shè)置在膝蓋下內(nèi)部，當(dāng)大腿組件和小腿組件運動至豎直方向時，鎖止軸為豎直方向，而且鎖止軸能向上或向下穿過膝蓋下頂部通孔和膝蓋下底通孔；推拉式電磁鐵，其與所述鎖止軸連接，用于沿豎直方向推拉所述鎖止軸；推拉式電磁鐵與控制器連接；小腿上中部的外徑與調(diào)節(jié)套筒的內(nèi)徑相等；大腿下中部的外徑與調(diào)節(jié)套筒的內(nèi)徑相等；調(diào)節(jié)套筒上套設(shè)有蝶形卡扣，蝶形螺母上設(shè)置有系帶孔，系帶孔中穿設(shè)有纖維綁帶，通過纖維綁帶實現(xiàn)腿部固定，需要脫下時，解開纖維綁帶即可。

3.2 膝關(guān)節(jié)設(shè)計思路

首先進(jìn)行膝關(guān)節(jié)處軸的強度校核，根據(jù)計算簡圖（見圖4）計算彎矩得：截面E左側(cè)M3=FDL3=150×0.02=3（N·m），截面E右側(cè)M4=FFL4=150×0.02=3（N·m）。

為提高膝關(guān)節(jié)處的強度要求，經(jīng)過綜合考慮，軸選材為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T699-1999“優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號及交貨狀態(tài)下的力學(xué)性能”，45鋼調(diào)質(zhì)處理后，其抗拉強度極限σb≥600N/mm2，設(shè)σb=700N/mm2，則通過查表可知對稱循環(huán)特性下軸的許用彎曲應(yīng)力［σ-1］b=65［σ-1］b=65N/mm2。危險剖面E處，初估軸徑d2=5mm，彎矩為M=3N·m。經(jīng)過彎曲強度要求計算：

圖4 計算簡圖

5 mm＜7.7mm，不滿足彎曲強度要求，為確保膝關(guān)節(jié)處軸的強度，通過多次計算，最終決定軸的直徑選取10mm，滿足彎曲強度要求。

4 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計

髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)主要組成部分為髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸、髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)座、GB/T276-94深溝球軸承62800-2Z（見圖5）。

圖5 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖

髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架位于腰部組件的內(nèi)側(cè)，其包括三塊一體成型的連接板，其中2塊連接板相互平行，另一塊連接板設(shè)置在兩塊相互平行的連接板之間，而且與2塊相互平行的連接板固定并垂直連接，位于中部的連接板的外側(cè)壁上設(shè)置有髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸，髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架與髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸一體成型，髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，會帶動髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架轉(zhuǎn)動。為確保髖關(guān)節(jié)處軸的強度，通過多次計算，最終決定軸的直徑選取10mm，滿足彎曲強度要求。

5 腰部結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部結(jié)構(gòu)主要由剛性腰帶、纖維綁帶、驅(qū)動組件組成。腰部結(jié)構(gòu)由7塊一體成型的方形板組成，相鄰的兩塊方形板相互垂直，位于兩端的方形板上分別設(shè)置有1個通孔，位于中部的一塊方形板上設(shè)置有2個系帶孔，該系帶孔中穿設(shè)有纖維綁帶，通過纖維綁帶實現(xiàn)腰部固定，實現(xiàn)機械腰部與人體的腰部可拆卸地連接。腰部兩側(cè)及背后固定有驅(qū)動組件，包括電機、減速箱、驅(qū)動器、控制器和電池等（見圖6）。

圖6 腰部結(jié)構(gòu)圖

6 大腿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖7為大腿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖，大腿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要組成為大腿調(diào)節(jié)桿、大腿旋轉(zhuǎn)桿連接螺栓、GB/T301-1995推力球軸承51100、大腿旋轉(zhuǎn)桿（見圖7）。大腿調(diào)節(jié)桿的中部為圓柱體形，下部沿豎直方向設(shè)置有齒條，與大腿下部分的齒條相配，使大腿組件具有不同的長度，以形成伸縮桿，其頂部與髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)支架連接接；大腿旋轉(zhuǎn)桿內(nèi)部裝配有大腿旋轉(zhuǎn)桿連接螺栓和2個GB/T301-1995推力球軸承51100；推力球軸承保證了大腿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)只承受垂直方向的力，避免了水平方向力的干擾，實現(xiàn)機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)目的。

圖7 大腿旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

在設(shè)計完成后，對外骨骼系統(tǒng)的部分重要的結(jié)構(gòu)部分，運用Solidworks?Simulation軟件進(jìn)行了有限元分析，以確定外骨骼系統(tǒng)在制造完成后各部分能滿足設(shè)計要求。本套動力外骨骼系統(tǒng)進(jìn)一步研究發(fā)展，也可在醫(yī)療市場應(yīng)用。在醫(yī)療方面，步態(tài)訓(xùn)練是下肢功能障礙康復(fù)訓(xùn)練的主要方式，動力外骨骼可以用于康復(fù)治療，能夠保證高效的康復(fù)訓(xùn)練，滿足老年人和殘疾人的需求［4-6］。

［1］費燁贄.基于肌電信號控制的康復(fù)醫(yī)療下肢外骨骼設(shè)計及研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［2］牛彬.可穿戴式的下肢步行外骨骼控制機理研究與實現(xiàn)［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［3］陳峰.可穿戴型助力機器人技術(shù)研究［D］.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

［4］吳寶元，余勇，許德章.可穿戴式下肢助力機器人運動學(xué)分析與仿真［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，2007（2）：235-237.

［5］孫建，余永，葛運建，等.可穿戴型下肢助力機器人感知系統(tǒng)研究［J］.微納電子技術(shù)，2007（7-8）：353-357.

［6］趙豫玉.穿戴式下肢康復(fù)機器人的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

Structure Design of Lower Limb Machinery of Exoskeleton Handling System

Chen XiaohangZhang HongxiaGui Wei

（Department of Mechanical Engineering and Automotive Services，Wuhan Business University，Wuhan Hubei 430056）

Lower limb machinery of exoskeleton handling system is a powered exoskeleton device,it can be applied to express and medical technology.The system provides the external power through the energy device,assists the wearer to complete the movements in the handling process with the mechanical transmission system and the control test system,it can save the user manual,and can provide additional power.This paper discussed the structure design of lower limb machinery,finite element analysis was carried out using Solidworks?Simulation software,to deter?mine each part can meet the design requirements after the completion of the exoskeleton system.

exoskeleton；lower limb machinery；structural design

TP242.6

A

1003-5168（2017）02-0071-03

2017-01-25

武漢商學(xué)院校級科學(xué)研究項目2016年度課題“機械外骨骼技術(shù)在助力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究”（2016KY002）。

陳曉航（1986-），男，碩士，講師，研究方向：機構(gòu)學(xué)。