淺談搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)

鐘鵬程 徐心睿 董 含 姚羽霏 張家齊

（1．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孫越崎學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2．中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

外骨骼機(jī)器人是模仿生物學(xué)的外骨骼而提出的一種新型機(jī)電一體化裝置[1]，通過多種技術(shù)相互結(jié)合，能為穿戴者提供保護(hù)、身體支撐和協(xié)同動(dòng)作等功能，輔助穿戴者完成相應(yīng)的任務(wù)[2]。未來外骨骼機(jī)器人可主要應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的負(fù)重高強(qiáng)度作業(yè)和助力搬運(yùn)、軍事領(lǐng)域的單兵作戰(zhàn)和生活領(lǐng)域的患者四肢康復(fù)、老人出行等方面，應(yīng)用前景廣闊[3]。

針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的高強(qiáng)度負(fù)重作業(yè)和搬運(yùn)重物造成工人體力消耗大、安全性低等問題，有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種用于輔助搬運(yùn)的全身外骨骼助力機(jī)器人，能輔助搬運(yùn)重物，減輕使用者所受重物的壓力[4]，但缺點(diǎn)也較為明顯：自由度不高，不能很好地配合使用者完成相應(yīng)的動(dòng)作。背部支架與下肢部件剛性連接，彎腰靈活性差。關(guān)節(jié)缺少機(jī)械限位結(jié)構(gòu)，存在安全隱患。因此，針對(duì)上述問題，該文設(shè)計(jì)了一種搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人。

1 搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)

如圖1 所示，搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人包括動(dòng)力裝置、限位裝置、主控模塊、上肢部件、背部架體、背部綁帶、外骨骼腰部、伸縮助力裝置、連接帶和下肢部件。背部綁帶設(shè)置在背部架體上。背部架體上端兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置多個(gè)孔，用于調(diào)節(jié)肩部寬度。主控模塊設(shè)置在背部架體的后側(cè)。2 個(gè)上肢部件安裝在背部架體兩側(cè)的上方，2 個(gè)下肢部件安裝在外骨骼腰部?jī)蓚?cè)的下方。外骨骼腰部設(shè)置多個(gè)孔，用于調(diào)節(jié)腰部寬度。伸縮助力裝置與連接帶連接背部架體與外骨骼腰部，能夠有效輔助彎腰動(dòng)作。伸縮助力裝置包括外套筒、內(nèi)套筒和彈簧，外套筒與內(nèi)套筒連接，彈簧設(shè)置在外套筒和內(nèi)套筒的內(nèi)部。連接帶可伸縮，具有彈性。

上肢部件包括肩關(guān)節(jié)、外骨骼大臂、大臂伸縮裝置、大臂綁帶、肘關(guān)節(jié)、外骨骼小臂、小臂伸縮裝置、小臂綁帶、把手和手部傳感裝置。如圖2 所示，肩關(guān)節(jié)包括肩部第一桿件和肩部第二桿件。肩部第一桿件設(shè)置在背部架體的孔上，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收。肩部第二桿件設(shè)置在肩部第一桿件上，呈“L”型，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的外旋/內(nèi)旋。外骨骼大臂設(shè)置在肩部第二桿件上，實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的伸/屈。肘關(guān)節(jié)設(shè)置在外骨骼大臂與外骨骼小臂連接處。外骨骼大臂與外骨骼小臂上分別設(shè)置有大臂綁帶與小臂綁帶。大臂伸縮裝置和小臂伸縮裝置分別設(shè)置在外骨骼大臂與外骨骼小臂上，用于調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度。把手和手部傳感裝置設(shè)置在外骨骼小臂末端。上肢部件中，肩關(guān)節(jié)有3 個(gè)自由度，肘關(guān)節(jié)有1 個(gè)自由度。

圖1 外骨骼機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 外骨骼機(jī)器人肩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

下肢部件包括髖關(guān)節(jié)、外骨骼大腿、大腿伸縮裝置、大腿綁帶、膝關(guān)節(jié)、外骨骼小腿、小腿伸縮裝置、小腿綁帶、踝關(guān)節(jié)、外骨骼鞋、腳部傳感裝置和鞋部綁帶。如圖3 所示，髖關(guān)節(jié)包括Ⅰ桿、Ⅱ桿和Ⅲ桿。Ⅰ桿設(shè)置在外骨骼腰部的孔上。Ⅱ桿設(shè)置在Ⅰ桿上，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收。Ⅲ桿設(shè)置在Ⅱ桿上，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的外旋/內(nèi)旋。外骨骼大腿設(shè)置在髖關(guān)節(jié)的Ⅲ桿上，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)的伸/屈。膝關(guān)節(jié)設(shè)置在外骨骼大腿與外骨骼小腿連接處。外骨骼大腿與外骨骼小腿上分別設(shè)置有大腿綁帶與小腿綁帶。大腿伸縮裝置和小腿伸縮裝置分別設(shè)置在外骨骼大腿與外骨骼小腿上，用于調(diào)節(jié)其長(zhǎng)度。踝關(guān)節(jié)設(shè)置在外骨骼小腿與外骨骼鞋連接處。外骨骼鞋上設(shè)置腳部傳感裝置和鞋部綁帶。下肢部件中，髖關(guān)節(jié)有3 個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)有1 個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)有2 個(gè)自由度。

圖3 外骨骼機(jī)器人髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖

動(dòng)力裝置包括傳動(dòng)系統(tǒng)、減速器、電機(jī)和角度傳感器，設(shè)置在膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)上，其中角度傳感器安裝在電機(jī)上。

限位裝置設(shè)置在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)上，限定外骨骼機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍，防止外骨骼機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)使用者造成傷害。如圖3 所示，髖關(guān)節(jié)限位裝置設(shè)置在Ⅰ桿、Ⅱ桿、Ⅲ桿和外骨骼大腿連接處，其中Ⅰ桿與Ⅱ桿連接處限定了髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收，Ⅱ桿與Ⅲ桿連接處限定了髖關(guān)節(jié)的外旋/內(nèi)旋，Ⅲ桿與外骨骼大腿連接處限定了髖關(guān)節(jié)的伸/屈。

2 搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人工作原理

使用者穿戴搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人前，根據(jù)使用者的身材、調(diào)整肩部寬度和腰部寬度，確定肩部第一桿件設(shè)置在背部架體的孔的位置和Ⅰ桿設(shè)置在外骨骼腰部的孔的位置。調(diào)整小腿伸縮裝置、大腿伸縮裝置、大臂伸縮裝置和小臂伸縮裝置，從而確定外骨骼小腿、外骨骼大腿、外骨骼大臂和外骨骼小臂的長(zhǎng)度。使用者穿戴搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人時(shí)，用鞋部綁帶將使用者腳部與外骨骼鞋固定，用小腿綁帶將使用者小腿與外骨骼小腿固定，用大腿綁帶將使用者大腿與外骨骼大腿固定，用背部綁帶將使用者背部與背部架體固定，用大臂綁帶將使用者大臂與外骨骼大臂固定，用小臂綁帶將使用者小臂與外骨骼小臂固定。

使用者穿戴好搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人后，當(dāng)要搬運(yùn)重物時(shí)，先彎下腰，使用者髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，外骨骼機(jī)器人的伸縮助力裝置收縮，連接帶彎曲。使用者上肢肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，將重物搬起，同時(shí)直起腰，使用者髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，外骨骼機(jī)器人的伸縮助力裝置拉伸，連接帶彈起，有效輔助彎腰搬起重物。行走過程中，使用者下肢髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，輔助使用者行走。同時(shí)，外骨骼機(jī)器人的上肢部件輔助使用者在行走過程中托舉重物。到達(dá)目的地后，先彎下腰，使用者髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，外骨骼機(jī)器人的伸縮助力裝置收縮，連接帶彎曲。使用者上肢肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的肘關(guān)節(jié)與肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，將重物放下，同時(shí)直起腰，使用者髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，外骨骼機(jī)器人的伸縮助力裝置拉伸，連接帶彈起。在搬運(yùn)重物的過程中，當(dāng)關(guān)節(jié)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度后，角度傳感器檢測(cè)到預(yù)先設(shè)定好的角度，傳遞給主控模塊，主控模塊控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。限位裝置限定的角度略大于關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)預(yù)先設(shè)定好的角度。在搬運(yùn)重物的過程中，如果外骨骼機(jī)器人出現(xiàn)的故障導(dǎo)致電機(jī)無法停止轉(zhuǎn)動(dòng)，那么該關(guān)節(jié)的限位裝置會(huì)限制關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速變?yōu)?。此時(shí)，角度傳感器測(cè)得的角度超過預(yù)先設(shè)定好的角度，并且角度傳感器測(cè)得電機(jī)轉(zhuǎn)速突然變?yōu)?，信號(hào)傳給主控模塊，主控模塊控制電機(jī)停止工作。沒有電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)的限位裝置限定了該關(guān)節(jié)自由轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，保證了工作時(shí)關(guān)節(jié)在安全的角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)語

針對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的高強(qiáng)度負(fù)重作業(yè)和搬運(yùn)重物造成工人體力消耗大、安全性低等問題，該文設(shè)計(jì)了一種搬運(yùn)助力外骨骼機(jī)器人。外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)自由度符合人體特征，運(yùn)動(dòng)靈活。背部架體與外骨骼腰部之間設(shè)置了伸縮助力裝置與連接帶，能夠有效輔助彎腰動(dòng)作。四肢可快速調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，方便穿戴，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。各個(gè)關(guān)節(jié)都設(shè)置了限位裝置，防止外骨骼機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)對(duì)使用者造成傷害，安全性高，能幫助穿戴者輔助搬運(yùn)重物，降低疲勞強(qiáng)度，提高工作效率。