基于电磁驱动的便携式动力辅助外骨骼研究

李昊洋 李家璇 闫拓 谭茗月 陈松涛

摘 要：外骨骼的概念在科幻电影中出现已有数十年的历史，但鉴于基础技术的限制，它没有得到很好的发展，国内的外骨骼应用目前局限于物流和军事领域。此次西南交通大学的大学生科研训练计划队员们提出“基于电磁驱动的便携式动力辅助外骨骼”这一课题，并进行摸索研究，历时一年零一个月。接下来本文将就“基于电磁驱动的便携式动力辅助外骨骼”课题研究的成果、创新点以及团队成员的经验教训来进行回顾总结。

关键词：外骨骼;机械结构;大学生科研训练计划

国外的外骨骼技术发展比较成熟，比如美国福特公司研发了辅助装卸工人进行重复性工作的外骨骼设备，日本也研发了一些用于帮助残障人士进行康复训练的医疗性外骨骼。相比于国外，国内的外骨骼技术发展并较为滞后，并且在使用环境中有很大的局限性。我国的外骨骼只应用于京东和亚马逊物流分拣以及单兵作战系统，并不具有普遍性。我们希望设计出的这一款电驱动下的上肢外骨骼装置，可以较大程度的提升穿戴者的上肢力量，同时在多种环境下可以同样易于穿戴、更便携、更易于控制，以自由度更高来满足不同环境下使用者的需要。

一、项目成果

经过不懈得学习实践，目前团队已经有了可观的成果。一代机械臂已进行3D打印并组装，同时进行了电机驱动电路模块、陀螺仪采集电路模块、ARDUINO核心板控制电路模块的设计并编写出了基于ARDUINO的控制机械臂程序。机械臂材料采用轻型材料、电机等零部件重量全部达到最小化，更方便人体穿戴。经过程序烧录、调试等后续工作，便可达到预期。

二、外骨骼设计中的关键点思考

（一）动力提供方式的选择

首先从动力角度出发考虑，无动力式上肢外骨骼将施加在上肢的力量通过结构设计使身体协调用力将力量施加在整个身体上实现“借力”，从而达到助力的效果。但对环境条件要求相对较为苛刻，容易重心失调不稳。本质上也未减轻身体的负担而增加穿戴者的工作时长。有动力式中，液压式上肢外骨骼输出能力强但工作噪声大且体积大并不满足便携、便于穿戴自己自由度高的设计要求。因此我们的设计采用电机驱动的方式，为保证便携且易于更换，采用大直流蓄电池。

（二）结构以及控制方式的合理性

穿戴设计考虑要符合人体工艺，舒适减缓疲劳感。外骨骼工作设计尽可能的满足上肢可活动的角度，增强环境的适应性和突发多变性。因我们将电机蓄电池放于背包中以减轻手臂负重，所以动力传递方式我们一采用蜗杆，使角动力传递和直线动力传递可以相互转换，二利用舵机实现方向角度的控制，满足多角度活动的设计要求。为减少结构的重量和动力传递中的损失，我们在不影响设计要求的条件下减少蜗杆以及舵机的数量。

将传感器的检测结果作为信号输入，再利用算法实现电机的转速控制和舵机的方向控制。用较高电压以增强灵敏性，实现人体和外骨骼的双向控制。

（三）硬件电路设计

1.电机驱动部分：直接采用L298N 电机驱动模块，它可以直接驱动两路 3-16V 直流电机，并且提供 5V 输出接口（输入最低只要 6V），可以给5V的单片机电路系统供电 （低纹波系数），支持3.3V MCU ARM 控制，可以很方便的控制直流电机的速度和方向，同时也可以控制 2 相步进电机和 5 线 4 相步进电机。驱动部分端子供电范围Vs：+5V～+12V ; 如需要板内取电，则供电范围 Vs：+6V～+12V，逻辑部分工作电流范围： 0～36mA，最大功耗： 20W （温度T=75℃时）

2.舵机稳压部分：在关节位置采用舵机控制舵机用 LM2941 进行供电，通过调整使用5.5V 的电压（通过滑动变阻器可调）给舵机供电。较高的电压可以提高舵机的响应速度，但过高电压容易导致舵机工作不稳定，所以采用5.5V可调整的设计保证舵机工作的稳定性。

（四）机械结构的绘制

机械臂所有主体结构都由团队成员自主设计、绘制。大小臂采用了分开绘制再组合的方式，提前调查出人均臂长、臂围，并以此为依据绘制出比例为1：1的器件。肘关节处通过行星架进行连接，在确保大小臂相接的紧密性的同时，也将传动比改变，可有效降低直流电机的输出功率及体积，使整个机械臂更便于携带、操作。

大臂和背部之间采用滑扣链接，保证了大臂有一定的纵向活动范围，且不会出现由于所抬物体过重而使整个大臂被动向后推的情况。

而背部采用了肩背一体的模式，在背部设计了人体支撑结构，更加有利于人体穿戴。在盛放电池部分，加设了一层散热隔板，可提高机械臂的持续工作时间，且可最大减少人体的不适感。

三、经验与反思

外骨骼没有实现市场化普及开来，因此我们只能在网上不断搜寻各大高校以及企业设计的外骨骼论文与资料。由于每个团队的出发角度不同，差异也很大，给我们造成了较大的迷惑性。不过在确定好方向后，这些论文资料对我们的后续研究大有裨益。

综上所述，团队成员对便携式外骨骼的建构进行了初步探索，就舒适度、动力控制方式、电机驱动等方面做出了反应，及时反思，不断进步，对团队日后的学习研究有不可忽视的推动作用。

参考文献：

[1]杨阳.外骨骼电机伺服驱动系统设计[D].电子科技大学.2017

[2]王春岩.可穿戴下肢外骨骼总体方案设计[J].东北林业大学.2020年：19-22.

[3]门静 童帆 韩少燕.膝关节外骨骼机器人仿生结构设计与研究[J].中国机械：车讯.2019（8）：5-6页.

[4] 孙超 苑明海 周灼 蔡仙仙.外骨骼上肢康复机器人的结构设计与仿真研究[J].Journal of Mechanical & Electrical Engineering.2019（36）.

[5]Stephen J.Chapman.MATLAB編程[M].第二版.邢树军 郑碧波译.

[6]张英杰.CAD？CAM原理及应用[M].高等教育出版社， 2007年.

[7]黄成.SolidWorks 2010中文版完全自学一本通[M].电子工业，2011年

[8]濮良贵 陈国定 吴立言.机械设计[M].高等教育出版社，2013年

作者简介：

李昊洋（1999-），男（汉族），四川成都人，本科在读，就读于西南交通大学  学生，研究方向：电子技术。

李家璇（1999-），男（汉族），河北保定人，本科在读，就读于西南交通大学，学生，研究方向：电力传动。

闫拓（1998-），女（汉族），河北唐山人，本科在读，就读于西南交通大学，研究方向：程序设计。

谭茗月（1999-），女（汉族），重庆人，本科在读，就读于西南交通大学  学生，研究方向：程序设计。

陈松涛（1999-），男（汉族），四川达州人，本科在读，就读于西南交通大学  学生，研究方向：机械结构。