解超　張佳露　宋燁珉　朱伊苓

摘 要：本裝置為基于并聯(lián)機構的肩肘關節(jié)外骨骼，目標受眾為因事故，疾病等無法通過自主意識控制上肢而肌肉萎縮的患者。使用者通過佩戴該裝備帶動其上肢隨外骨骼一起運動，以鍛煉使用者上肢肌肉。通過肌電信號放大電路獲取使用者使用時所產生的肌電信號并以LED矩陣反應其強弱并決定康復動作的快慢。本產品具有相對于市面產品更便攜、穩(wěn)固的機構，簡易的自定義模塊與較長的續(xù)航時間等優(yōu)點。

關鍵詞：外骨骼；絲杠；并聯(lián)機構

1 作品詳細介紹

該基于并聯(lián)機構的肩肘關節(jié)外骨骼的肩關節(jié)模塊、肘關節(jié)模塊、基座模塊如圖1～3所示。

（1）基座：與使用者貼合部分，肩關節(jié)的鉸鏈基座控制電路與電源所在。具有彈性機構可調節(jié)貼合程度以符合不同身形，通過四個鉸鏈所衍生的搭扣緊固?？纱钶d溫濕度傳感器與風扇調節(jié)溫度以增加舒適度。

（2）肩關節(jié)：通過三根二階絲桿，六組虎克鉸鏈組成3-RPR的并聯(lián)機構。

（3）肘關節(jié)：兩組普通絲桿組成的一個轉動副關節(jié)。

2 工作原理

圖4所示為本系統(tǒng)的工作原理圖。

2.1 肩關節(jié)

作為使用伸縮桿的并聯(lián)機構，其工作空間受伸縮桿最短值與最長值之比影響。常規(guī)伸桿（電動絲杠，氣/液壓缸）往往只能達到0.5，加上不可忽略的機構長度（減速器、電機、鉸鏈等）這一比值只會更大。研究表明，當此比值為0.33時最佳。由此便設計了此二階絲杠，通過M18絲杠（右牙）的順時轉動帶動內部M8絲杠（左牙）的相對逆時轉動，使得兩對絲杠能夠一起伸縮。最終獲得0.4的凈短長比。系統(tǒng)工作原理如圖4所示。右牙、左牙實物圖如圖5和圖6所示。

2.2 肘關節(jié)

由兩組常規(guī)絲杠組成的平行四邊形機構通過絲杠的伸縮完成肘關節(jié)角度的變化。通過復數的相同低功率機構達到相對較大的行程、功率。肘關節(jié)實物圖如圖7所示。

2.3 控制電路

此控制電路主要通過多片Arduino單片機的通信（I2C協(xié)議）完成動作獲知、向量運算、電機控制等操作。具體方法如下：

（1）動作獲知：較常使用程序控制，將鍛煉動作轉換為上肢相對于軀干的角度參數，并通過藍牙向主機發(fā)送此數據。

（2）自主控制：一般患者雖無法控制上肢，但仍能產生肌電信號，通過EMG貼片獲得信號后轉換成移動方向，以此向主機發(fā)送數據。

（3）向量運算：主機獲得從機發(fā)送的數據（角度數據），轉換成并聯(lián)機構使用的數據，發(fā)送至電機驅動從機。（假設上臂夾具上一點距軀干肩關節(jié)轉心距離不變，依據人體矢狀面建立坐標系可得此點的模與方向余弦，借此可得在坐標系中的向量坐標。通過已知的機構長度參數 （上臂夾具中心距鉸鏈距離），通過齊次坐標變換（上臂夾具中心的模，俯仰角可由方向余弦得知），獲得伸縮桿長度（其向量的模）。

（4）電機控制：從機獲得長度數據并根據其比值確定各個電機電壓（控制速度），發(fā)送PWM波至電機驅動（L298N）。電機具有編碼器，反饋至從機以監(jiān)視速度與距離的控制。

3 作品創(chuàng)新點

（1）使用了并聯(lián)機構，與傳統(tǒng)外骨骼康復裝置使用的串聯(lián)機構相比具有更高的穩(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比，提高了固定安裝空間內的工作空間。

（3）可以通過加裝不同數量的絲杠以改變裝置的功率特性，滿足從上肢康復到災害救援的不同使用場合?；?，肩關節(jié)出的擴展接口并加裝不同的模塊（溫濕度，PM2.5等）增強其自定義性。

4 市場前景

三組二階絲杠組成的裝置除具有基本的外骨骼功能（牽引肢體運動，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量，便可增加本外骨骼的功率，以便于應用于更加苛刻的環(huán)境工作（探險賑災，搜索救援，搬運重物等外骨骼傳統(tǒng)工作）。