解超　張佳露　宋燁珉　朱伊苓

摘 要：本裝置為基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的肩肘關(guān)節(jié)外骨骼，目標(biāo)受眾為因事故，疾病等無(wú)法通過(guò)自主意識(shí)控制上肢而肌肉萎縮的患者。使用者通過(guò)佩戴該裝備帶動(dòng)其上肢隨外骨骼一起運(yùn)動(dòng)，以鍛煉使用者上肢肌肉。通過(guò)肌電信號(hào)放大電路獲取使用者使用時(shí)所產(chǎn)生的肌電信號(hào)并以LED矩陣反應(yīng)其強(qiáng)弱并決定康復(fù)動(dòng)作的快慢。本產(chǎn)品具有相對(duì)于市面產(chǎn)品更便攜、穩(wěn)固的機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)易的自定義模塊與較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：外骨骼；絲杠；并聯(lián)機(jī)構(gòu)

1 作品詳細(xì)介紹

該基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的肩肘關(guān)節(jié)外骨骼的肩關(guān)節(jié)模塊、肘關(guān)節(jié)模塊、基座模塊如圖1～3所示。

（1）基座：與使用者貼合部分，肩關(guān)節(jié)的鉸鏈基座控制電路與電源所在。具有彈性機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)貼合程度以符合不同身形，通過(guò)四個(gè)鉸鏈所衍生的搭扣緊固?？纱钶d溫濕度傳感器與風(fēng)扇調(diào)節(jié)溫度以增加舒適度。

（2）肩關(guān)節(jié)：通過(guò)三根二階絲桿，六組虎克鉸鏈組成3-RPR的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

（3）肘關(guān)節(jié)：兩組普通絲桿組成的一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副關(guān)節(jié)。

2 工作原理

圖4所示為本系統(tǒng)的工作原理圖。

2.1 肩關(guān)節(jié)

作為使用伸縮桿的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其工作空間受伸縮桿最短值與最長(zhǎng)值之比影響。常規(guī)伸桿（電動(dòng)絲杠，氣/液壓缸）往往只能達(dá)到0.5，加上不可忽略的機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度（減速器、電機(jī)、鉸鏈等）這一比值只會(huì)更大。研究表明，當(dāng)此比值為0.33時(shí)最佳。由此便設(shè)計(jì)了此二階絲杠，通過(guò)M18絲杠（右牙）的順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)內(nèi)部M8絲杠（左牙）的相對(duì)逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得兩對(duì)絲杠能夠一起伸縮。最終獲得0.4的凈短長(zhǎng)比。系統(tǒng)工作原理如圖4所示。右牙、左牙實(shí)物圖如圖5和圖6所示。

2.2 肘關(guān)節(jié)

由兩組常規(guī)絲杠組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)通過(guò)絲杠的伸縮完成肘關(guān)節(jié)角度的變化。通過(guò)復(fù)數(shù)的相同低功率機(jī)構(gòu)達(dá)到相對(duì)較大的行程、功率。肘關(guān)節(jié)實(shí)物圖如圖7所示。

2.3 控制電路

此控制電路主要通過(guò)多片Arduino單片機(jī)的通信（I2C協(xié)議）完成動(dòng)作獲知、向量運(yùn)算、電機(jī)控制等操作。具體方法如下：

（1）動(dòng)作獲知：較常使用程序控制，將鍛煉動(dòng)作轉(zhuǎn)換為上肢相對(duì)于軀干的角度參數(shù)，并通過(guò)藍(lán)牙向主機(jī)發(fā)送此數(shù)據(jù)。

（2）自主控制：一般患者雖無(wú)法控制上肢，但仍能產(chǎn)生肌電信號(hào)，通過(guò)EMG貼片獲得信號(hào)后轉(zhuǎn)換成移動(dòng)方向，以此向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（3）向量運(yùn)算：主機(jī)獲得從機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)（角度數(shù)據(jù)），轉(zhuǎn)換成并聯(lián)機(jī)構(gòu)使用的數(shù)據(jù)，發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)從機(jī)。（假設(shè)上臂夾具上一點(diǎn)距軀干肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)心距離不變，依據(jù)人體矢狀面建立坐標(biāo)系可得此點(diǎn)的模與方向余弦，借此可得在坐標(biāo)系中的向量坐標(biāo)。通過(guò)已知的機(jī)構(gòu)長(zhǎng)度參數(shù) （上臂夾具中心距鉸鏈距離），通過(guò)齊次坐標(biāo)變換（上臂夾具中心的模，俯仰角可由方向余弦得知），獲得伸縮桿長(zhǎng)度（其向量的模）。

（4）電機(jī)控制：從機(jī)獲得長(zhǎng)度數(shù)據(jù)并根據(jù)其比值確定各個(gè)電機(jī)電壓（控制速度），發(fā)送PWM波至電機(jī)驅(qū)動(dòng)（L298N）。電機(jī)具有編碼器，反饋至從機(jī)以監(jiān)視速度與距離的控制。

3 作品創(chuàng)新點(diǎn)

（1）使用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)，與傳統(tǒng)外骨骼康復(fù)裝置使用的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比具有更高的穩(wěn)定性與牢固性。

（2）二階絲杠與常規(guī)絲杠相比具有更小的短長(zhǎng)比，提高了固定安裝空間內(nèi)的工作空間。

（3）可以通過(guò)加裝不同數(shù)量的絲杠以改變裝置的功率特性，滿足從上肢康復(fù)到災(zāi)害救援的不同使用場(chǎng)合?；?，肩關(guān)節(jié)出的擴(kuò)展接口并加裝不同的模塊（溫濕度，PM2.5等）增強(qiáng)其自定義性。

4 市場(chǎng)前景

三組二階絲杠組成的裝置除具有基本的外骨骼功能（牽引肢體運(yùn)動(dòng)，功率較小但能夠自鎖）外，還可用于鍛煉肌肉以避免病患的肌肉萎縮。如若自定義增加絲杠數(shù)量，便可增加本外骨骼的功率，以便于應(yīng)用于更加苛刻的環(huán)境工作（探險(xiǎn)賑災(zāi)，搜索救援，搬運(yùn)重物等外骨骼傳統(tǒng)工作）。