李 懿，鄔宇軒，馬翔宇

(西安航空學院， 西安 710077)

外骨骼機器人作為世界前沿的高新機器人技術，是各個國家探索和研究的重點。外骨骼機器人在軍事、醫(yī)療、消防等各個領域有著巨大的發(fā)展?jié)摿颓熬?，引起了學者的廣泛關注，成為機器人研究領域的新熱點[1-3]。 近20年來，外骨骼機器人得到了廣泛的應用，可作為輔助康復設備大大減輕醫(yī)務人員的工作壓力[4-6]。外骨骼機器人可幫助因年齡大而身體機能退化的行動不便的老年人行走，以解決生活中的一些問題[7-10]。

目前，大多數(shù)國家對外骨骼機器人的研究都處于早期探索和基礎起步階段，距離發(fā)展成熟實際運用還有很遠的路要走。日本于2002年研發(fā)出一款穿戴型助力機器人,并命名為HAL。該裝備的研究目標是幫助年邁者及殘疾人進行正常的運動。該外骨骼機器人系統(tǒng)可以輔助殘疾人或行動不便的老年人正常行走，并幫他們在生活中正?；顒覽11-12]。

我國在外骨骼機器人技術領域的探索起步比較晚，中科院合肥物質科學研究院、浙江大學、哈爾濱工程大學等為代表的科研機構進行了外骨骼機器人的研究。這些研究基本都處于初級理論研究和驗證的階段，只有部分研究機構制造出了實驗樣機[13-16]。

本文以輪椅為依托設計了一種外骨骼助行機器人，椅子上的機械外骨骼的助力支撐機構可以通過機械結構幫助行動不便的人站起來，完成一些簡單的事情，如取東西、上廁所等，并為康復機械的設計提供一些思路。

1 機械結構設計

臥式外骨骼助行機器人主要包括座椅結構、腿部結構、剎車機構、升降機構、操控系統(tǒng)等部分，如圖1所示。座椅裝置主要提供支撐及連接；腿部結構采用框架設計，主要起固定作用，并可以通過調節(jié)大腿凹槽在固定導軌上的位置以滿足不同的身高需求。剎車機構采用類似騎行車剎車系統(tǒng)的結構，剎車盤配合剎車卡鉗，對車輛部位進行鎖緊固定。升降機構控制座椅板升降。

座椅板的升降機構的原動力來自電機驅動下采用螺旋傳動原理而設計的螺旋伸縮桿，螺旋伸縮桿是助力機構中的驅動動力部件。本設計中的主力機構為曲柄搖桿機構，在電機的驅動下，螺旋伸縮桿完成桿的伸長和縮短。在負載較低的場合，可以代替液壓缸的作用，相比液壓缸，更加便于控制，精度高，結構簡單，體積小，成本低。

1.連桿；2.大腿固定槽；3.螺旋伸縮桿；4.靠板；5.剎車盤；6.大腿固定槽

2 PLC控制設計

本文依據(jù)外骨骼機器人的作業(yè)流程，采用西門子S7-200PLC進行控制系統(tǒng)設計，建立I/O分配表，如表1所示。根據(jù)分配表，設計I/O梯形圖，如圖2所示，運行仿真結果如圖3所示。

表1 I/O分配表

圖2 I/O梯形圖

圖3 運行仿真結果

控制系統(tǒng)設計中：在升降之前，需要首先對輪子進行鎖緊控制防止升降過程的不穩(wěn)定；機器的主要動作為座椅板的升降；在座椅板升降的過程中，要設置隨時停止的功能，在上升或下降的任何時間、任何位置都可以停下來；在任何位置的暫停重啟后，不是繼續(xù)暫停之前的動作，而是可以進行升起或下降的任意動作。

3 運動仿真

鑒于 UG 三維軟件運動仿真這一功能，本文在 UG中創(chuàng)建三維模型進行運動學仿真分析，驗證外骨骼機器結構的有效性。外骨骼機器人的運動仿真如圖4所示。

圖4 外骨骼機器人運動仿真過程

外骨骼機器人所對應的位移、速度和加速度等曲線分別如圖5～7所示。

圖5 座椅板位移曲線

圖6 座椅板速度曲線

圖7 座椅板加速度曲線

由圖5～7 可知， 本文所設計的外骨骼機器人滿足設定要求， 且座位板對應的升降運動曲線顯示了其運動的規(guī)律與特點， 為臥式外骨骼助行機器人的實物制作提供了一定的參考。

4 結束語

本文提出一種基于輪椅設計的外骨骼助行機器人，采用螺旋伸縮桿代替液壓缸以提升外骨骼機器人座位升降的穩(wěn)定性及精確性，同時選擇西門子PLC進行系統(tǒng)控制設計，并依據(jù)其可行性進行運動學仿真分析，得到座位板升降過程中的位移、速度、加速度等變化曲線。仿真結果表明：所設計的外骨骼機器人可實現(xiàn)設定的功能，同時能為康復機械的設計提供一些思路和經驗。