基于Solidworks新型民用液压电控外骨骼/附肢设计

洪海升 林煦航 戴欣杰 侯鹏亮

摘 要：机械外骨骼或称动力外骨骼，是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿戴的机器装置。外骨骼在民用市场的应用较少，值得挖掘。应用Solidworks软件对新型民用液压电控外骨骼各部分零件进行建模，模块化装配。整体上采用模块化设计可有效降低生产成本和维护成本，对现行外骨骼价格昂贵这一问题进行了改良。针对现行外骨骼功能单一的局限性，新型民用液压电控外骨骼采取开放式的设计，可以外接各种附加设备，实现外骨骼功能的多样化。针对现有外骨骼体型过大穿戴困难这一问题，新型民用液压电控外骨骼开发了可折叠的功能。

关键词：外骨骼;液压;Solidworks;民用

机械外骨骼或称动力外骨骼，是一种由钢铁的框架构成并且可让人穿戴的机器装置，这个装备可以提供额外能量来供四肢运动，主要应用于军用和医用，除了能够增强人体能力外，还有良好的防护性。机械外骨骼作为单人可穿戴的一种外骨骼，实质上是一种可以穿戴在人身上的机器人，分为有动力和无动力两种类型。不仅有保护作用，还能赋予人体额外的能力，协助人完成很多自身无法完成的任务。周加永[1]从人体运动特征出发，分析了液压驱动负重外骨骼机器人的整体骨架结构。王海波[2]研究了负重型外骨骼液压动力单元温升及噪声过大的问题。贾正伟[3]分析了液压系统的耐污能力及控制系统污染物措施的研究。邓明君[4]设计了一种由液压驱动、钢丝绳传动的上肢外骨骼机器人。尽管手臂外骨骼有很多优点，可以在生活中的多方面为人类提供帮助。但它却存在价格昂贵、功能有限、体型过大、穿戴困难等诸多缺点。因此，研发出能克服这些缺陷的外骨骼显得十分必要。新型民用液压电控外骨骼克服了传统的外骨骼笨重的缺点，而且可搭载更多的模块控件实现功能的扩展。利用液压传动进一步缩小了体积，方便携带和运输。同时，外骨骼根据输入的指令自行运作以实现附肢的功能，极简和模块化的设计又进一步降低了成本和重量。

1 新型民用液压电控外骨骼/附肢组成及操作原理

1.1 新型民用液压电控外骨骼/附肢组成

新型民用液压电控外骨骼/附肢主要包括三个模块：动力与控制核心模块、机械支架模块以及搭载元件模块如图1所示。

1.2 新型民用液压电控外骨骼/附肢操作原理

该装备可为穿戴者上肢部分动作提供助力，达到保护肌肉、降低疲劳累积的效果;可重复执行单一动作而不需要人保持同一姿势，达到提高工作效率和减少失误的效果;可配备多种灵活的机械手，以达到处理各种复杂事物的效果。设计操作步骤如下：

第一步是组装穿戴，将核心与背带连接，然后背到身上去。第二步是启动程序，保持安全站位，外骨骼启动至装配姿势。第三步是搭载锁定，将护臂固定到手臂上，活动四肢稍作调整。第四步是装载设备，将你需要的设备装载到护臂上的定位孔中，并连接液压管。

2 新型民用液压电控外骨骼/附肢核心部件设计

2.1 动力与控制核心设计

核心元件由电源，液压油箱，控制主板、主连接件搭载点和其他必需设备元件组成。动力系统由液压伺服系统、单片机等元件组成。动力核心的整体外观如图2所示，根据人体的肌肉分布设计成倒三角形状的背夹，把液压油箱设计成了梯形结构。活塞机构被设计成了左右对称的“V”型的结构，与液压油箱相配合，贴合人体背部肌肉的分布。此外，“V”型结构可以通过调整角度以容纳活塞杆更长程度的伸缩，使得液压机构具备更大的伸缩行程。源头舵机设计在活塞机构的侧面，用于与机械支架的衔接。

2.2 机械支架设计

机架外形由支架、强固护臂、万向节、固定手环等零件组成如图3所示。机械支架是整套外骨骼的外观核心，在功能上起到主要的操作作用。构成支架的若干舵机使支架具有多个自由度，可以完成各种复杂的工作。由于本套装置允许外骨骼脱离人的肢体独立运作，亦可以起到附肢的效果。铝合金支架设计有两种形态，一种为三角形，一种为菱形。三角形铝合金支架通过三角形稳定的构造进一步加强了强度。菱形结构则方便进行机架的收纳。整个支架设计采用镂空的结构，在降低了成本和重量，方便了机构的折叠的同时，内部也可以安置收纳额外的线缆。

2.3 搭载元件设计

2.3.1 二级控制核心设计

二级控制核心是对于液压和电控系统的二级控制点，将主液压泵传递过来的液压油进行二次控制，来调整确定压力应该输向哪一个输出点，从而影响后续更精细的控制，实现更多的动作与功能如图4所示。

2.3.2 四指机械手设计

针对现行外骨骼功能有限的缺点，本设计采用开放式设计，将执行机构设计成搭载在连接机架上的元件，可拆卸，针对不同的场合，只需改变相应的执行机构便可完成不同的目标任务。比如采用四指机械手可以完成许多比较精細的操作，可以在医用、搬运危险物品、进行危险作业等方面发挥巨大作用。本设计共设计了三套可搭载的机械手，分别为三指支撑手，旋转三爪手，以及四指机械手。现以四指机械手为例进行相应说明，如图4所示。

控制手指主要通过指扣来实现，传感器可将手指扣动指扣的信号经计算后，转化为液压伺服系统的控制信号，进而允许液压油进入对应的终端液压瓶实现控制。拇指位置亦装配有小舵机，允许拇指进行旋转，从而更像人的手指构造。更大的手掌，可以抓握更多的东西。液压提供的巨大力量，使得人作为载体获得更大的力量。其与人手相似的设计，可以替代人手完成一些危险的工作，做到以往不能完成的动作，避免工人因为工作原因产生残废的风险。

指关节采用模块化设计，在降低了生产成本的同时，如果哪一个环节出现问题，也可以直接进行更换，方便进行维护，降低了更换和维护的成本。指关节之间采用微型三角形连接件相连接，强化了结构的稳定性，同时也具有外观上的美感。机械手的指尖设计成了凹凸橡胶指面，具有更强的摩擦力。手指相连的液压管采用PC塑料。透明的PC塑料方便进行故障的检查，便于大幅度的弯曲，在强度上也能承受满足要求的管壁压力。整个机械手采用大量的镂空设计，进一步减少材料的成本和重量，设计上也偏向美观。

3 结语

针对现存医用、军用、民用上肢外骨骼存在穿戴不方便、体积过大等缺陷，本文利用Solidworks三维CAD软件设计的新型民用液压电控外骨骼/附肢，采用液压驱动、新型材料等创新方式对现有上肢外骨骼升级和改造，探索最优的设计方案并进行成本等可行性测试，为解决该类型研究难题提供设计、技术参考。

参考文献：

[1]周加永，张昂，莫新民，等.液压驱动型负重外骨骼机器人液压系统设计[J].机床与液压，2016（21）：3034.

[2]王海波，范曙远，张龙.负重型外骨骼机器人液压阀块流道的流场分析及优化[J].西南交通大学学报，2019，054（004）：848854.

[3]贾正伟，张利剑，王道臣，等.外骨骼液压系统的污染与控制[J].液压气动与密封，2019，248（02）：2022.

[4]邓明君.一种液压驱动上肢外骨骼机器人设计[D]，2013.

盐城工学院教改研究项目：基于LabVIEW的测试技术与信号处理虚拟仿真实验平台的设计（项目编号：JYKT2019B005）

*通讯作者：侯鹏亮（1977— ），男，博士，副教授，主要从事复合载荷下材料微观力学性能原位测试技术与虚拟仪器研究。