一種上肢助力外骨骼結構設計與仿真分析

解 利 尚雅層 常 宏

（1.西安工業大學 機電工程學院，西安 710021；2.西安北辰億科電子科技有限公司，西安 710399）

科學技術的發展使得重型貨物的搬運工作逐漸由機械設備代替，但是在特殊復雜環境下，如災難救援和軍事領域[1]，仍需依靠人力進行遠距離重物搬運。雖然已有輔助人體搬運重物的器械，但是這類器械僅可在特定工作場合輔助人體完成工作，大部分情況下仍需依靠人體力量搬運貨物[2]。然而，人體長時間進行遠距離搬運物資的能力有限，因此研究一種能在復雜環境中幫助人體遠距離持重搬運的助力裝置十分必要。主動式外骨骼和被動式外骨骼是兩種主要的外骨骼[3]。主動式外骨骼通常由驅動系統（如電機、氣動系統、液壓系統等）提供助力，而被動式外骨骼通過彈性構件在運動期間儲存和釋放能量幫助人體工作[4]。雖然有源外骨骼能夠提供助力[5]，但是增加了動力源，導致重量大、成本高且設計復雜。為了減少人在搬運過程中的肌肉損傷，需要設計一種適合在遠距離搬運中為人體提供助力的外骨骼，并進行仿真分析，以驗證其結構設計的合理性。

1 結構設計

1.1 設計思路

考慮人手臂的結構復雜性和抬舉作業時手臂運動的單一性，使用類似吊繩機構驅動手臂助力。日常生活中，常?？梢娪玫趵K機構拉動重物到高處。抬舉動作與之類似，人在搬起重物時主要依靠手臂肌肉力量向上抬起，因此考慮使用編織帶沿著肩部驅動手臂向上運動完成搬運動作，并保證手臂動作的靈活性。為便于穿戴，將外骨骼設計為雙肩背包結構，在滿足人體運動輔助的前提下，簡化結構。因此，在考慮人機協同與系統集成的基礎上，合理配置外骨骼結構，最終確定外骨骼總體機械結構如圖1 所示。

圖1 上肢外骨骼系統設計

為使外骨骼重量輕且能夠提供較大助力，考慮使用卷簧作為驅動結構，以齒輪機構放大所需力矩驅動助力帶為手臂提供向上的拉力。外骨骼的工作原理是將助力帶一端與穿戴手套連接，另一端與外骨骼殼體內部驅動結構連接。在搬運過程中，向下抓取重物即伸肘時，手臂驅動助力帶及帶盤，并驅動齒輪使卷簧收縮蓄力；向上抬起重物即屈肘時，卷簧釋放能量驅動齒輪減速機構放大力矩，并通過帶盤和助力帶，然后通過導向機構翻轉助力帶，對人體手臂產生一個向上的拉力達到助力效果。卷簧因傳動帶的拉出而蓄能，且拉出的長度越長蓄能越大，對手臂的拉力越大。

1.2 助力建模分析

為分析外骨骼搬運助力效果，建立人體穿戴外骨骼搬運重物模型，分析人體搬起重物過程中外骨骼對人體手臂助力效果，如圖2 所示。其中：L0為人體前臂長度；α為前臂與水平面所成角度；β為助力帶與前臂所成角度；M為重物質量；m為人體前臂質量；T為手臂肌肉產生的力矩；F為助力帶對手臂產生的拉力。從外骨骼對手臂的助力分析來看，助力帶通過對手臂產生斜向上的拉力來減少手臂肌肉的發力。

圖2 外骨骼助力示意圖

前臂對手臂肘關節產生的力矩T1為

重物對手臂肘關節產生的力矩T2為

外骨骼助力帶對手臂肘關節產生的力矩T′為

此時達到力矩平衡，即有

可得穿戴外骨骼后手臂肌肉產生的力矩T為

未穿戴外骨骼時，手臂肌肉產生的力矩T0為

可得

此時，可求出外骨骼的助力效率η為

2 仿真分析

2.1 上肢搬運動作運動學仿真

人在實際搬運重物時，主要依靠上肢肘關節和肩關節的共同作用完成肌肉的彎曲和伸展。分析人體上肢搬運動作的運動學驗證外骨骼的適用性。

搬運動作主要涉及手臂的3 個自由度，分別為肩關節的內收/外展、前屈/后伸、肘關節處的屈伸。對單側手臂建立D-H 坐標系，依據D-H 坐標系確立的各連桿的D-H 參數如表1 所示。由于肩關節處有2 個自由度，此時連桿a1長度為0 mm，連桿a2為人體的上臂長度，連桿a3為人體前臂長度。

表1 單側手臂搬運動作D-H 參數表

根據表1 在MATLAB 中建立運動學仿真模型。在搬運過程中，手臂肩關節的內收/外展的活動范圍為內收10°至外展10°，前屈/后伸的活動范圍為前屈45°至后伸15°，肘關節的屈伸活動范圍為0°～90°，故可以確定θ1的取值范圍為-10°～10°，θ2的取值范圍為-105°～-45°，θ3的取值范圍為0°～90°，可得到手臂搬運時的運動空間如圖3 所示。

圖3 手臂運動空間

由所得人體手臂運動工作空間可知，在手臂所能到達活動范圍工作情況下，由于外骨骼使用助力帶帶動手臂，助力帶可隨手臂在該范圍的空間內活動?？梢?，設計的外骨骼可滿足預期設計和相應的工作需求。

2.2 動力學仿真

使用ADAMS 軟件對設計的上肢助力外骨骼機器人進行仿真分析，考慮模型的復雜性，將外骨骼簡化為一個齒輪結構與繩索結構相結合的模型。將外骨骼中的齒輪減速機構保存為Parasolid.(x_t)文件導入ADAMS，然后在ADAMS 軟件中構建繩索滑輪機構代替實際模型中的助力帶導向機構及肩座模型，最后在繩索末端添加質量為 5 kg 的重物，結構如圖4所示。

圖4 上肢結構導入

完成模型的重構后為模型添加約束，因小齒輪為驅動機構，故將驅動添加在小齒輪上的轉動副處。ADAMS 仿真結束后，選擇大齒輪輸出軸上的標記點得到所受的力矩變化曲線，這里僅繪制一個重物在上升和下降一個周期內的力矩曲線圖，輔助力矩最大可達到1 N·m 以上。由圖5 可知，外骨骼可為人體提供符合要求的力矩，符合預期設計。

圖5 ADANS 仿真結果

3 結語

針對遠距離人工搬運，設計了一種通過卷簧帶動齒輪減速機構來為人體手臂助力的無源上肢助力外骨骼。通過建立穿戴外骨骼人工搬運模型，從理論上分析外骨骼的助力效率，分別對手臂搬運動作和外骨骼進行運動學分析和動力學仿真，結果滿足設計需求，可為下一步實驗奠定基礎。