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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 空氣驅(qū)動(dòng)的下肢機(jī)械外骨骼
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 利用附著在人體上的機(jī)械來(lái)輔助體弱者及中老年人運(yùn)動(dòng)的。利用高壓氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械外骨骼和用采集人體表面肌電信號(hào)（SEMG）的方式控制機(jī)械外骨骼的運(yùn)動(dòng)。創(chuàng)新之一是使用了更先進(jìn)的空氣驅(qū)動(dòng)部件——?dú)鈩?dòng)肌腱和直接使用可重復(fù)使用的高壓氣瓶。能源利用率高，可以獲得更經(jīng)濟(jì)的使用時(shí)間。同時(shí)我們對(duì)機(jī)械外骨骼的一個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)作出了比較重大的創(chuàng)新，較同類機(jī)械外骨上的結(jié)構(gòu)可以更好的支持穿戴者的運(yùn)動(dòng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、設(shè)計(jì)目的和設(shè)計(jì)目標(biāo) 世界人口正在加速老化。生育率在下降，而人的壽命在延長(zhǎng)。從現(xiàn)在起到2050年之間，60歲以上的人口將從大約6億增至20億。而我國(guó)老齡化速度更快，據(jù)聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，1990-2020年世界老齡人口平均年增速度為2.5%，同期我國(guó)老齡人口的遞增速度為3.3%，世界老齡人口占總?cè)丝诘谋戎貜?995年的6.6%上升至2020年9.3%，同期我國(guó)由6.1%上升至11.5%，無(wú)論從增長(zhǎng)速度和比重都超過(guò)了世界老齡化的速度和比重，到2020年我國(guó)65歲以上老齡人口將達(dá)1.67億人，約占全世界老齡人口6.98億人的24%，全世界四個(gè)人中就有一個(gè)是中國(guó)老年人。 老齡化社會(huì)的兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題就是勞動(dòng)力的匱乏和越來(lái)越多的老年人需要年輕人來(lái)照顧。如今，我國(guó)第一代獨(dú)生子女的父母已經(jīng)開(kāi)始步入老年。與自己多兒多女的父母不同，唯一的子女將承擔(dān)贍養(yǎng)他們的重任。未來(lái)，更多的家庭將出現(xiàn)4個(gè)老年人、1對(duì)夫婦和1個(gè)孩子的“四二一”結(jié)構(gòu)。這樣在生活中就經(jīng)常會(huì)遇到“人手不足”的尷尬。我們急需要使用一些新型的助力機(jī)器來(lái)解決這些問(wèn)題。機(jī)械外骨骼，也許就是一種解決途徑。老人們穿上它可以提高自理能力；年輕人穿上它可以幫助更多的老人們。 電影《鋼鐵俠》中的男主角在穿上他的鋼鐵戰(zhàn)衣后立刻從普通人變身為超人，那是因?yàn)樗臋C(jī)械外骨骼擁有神奇強(qiáng)大的能源——以金屬鈀為原料的微型核電裝置。當(dāng)然電影中的這種能源裝置這在目前的科技水平下還是相當(dāng)科幻的。因此我們必須在設(shè)計(jì)機(jī)械外骨時(shí)格外考慮它的能源利用效率，來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的，使它在現(xiàn)有的儲(chǔ)能技術(shù)條件下工作更長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)我們也希望這件機(jī)械外套能盡可能的簡(jiǎn)單和輕便一些。 我們到底該選擇一種怎樣的能源和驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)“簡(jiǎn)單”和“輕便”呢。就目前來(lái)看，在可以獨(dú)立運(yùn)行的機(jī)械外骨上無(wú)外乎都是以電池做為能量來(lái)源，利用電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)或者使用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)化為氣壓或者液壓驅(qū)動(dòng)；從機(jī)械外骨的控制方式選取上，大家都一致使用了表面肌電信號(hào)（SEMG，是淺層肌肉肌電信號(hào)和神經(jīng)干上電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)）作為控制信號(hào)源。 電動(dòng)機(jī)？使用電動(dòng)機(jī)控制機(jī)械外骨是相當(dāng)復(fù)雜的，況且這種機(jī)械外骨在實(shí)際使用中對(duì)電機(jī)和控制系統(tǒng)的要求都很高。由日本筑波大學(xué)山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授開(kāi)發(fā)的HAL*就是使用這類驅(qū)動(dòng)控制方式的機(jī)械外骨。 液壓？在看過(guò)洛克希德?馬丁公司推出的一款已經(jīng)用于實(shí)戰(zhàn)的機(jī)械外骨——人類負(fù)重外骨骼（簡(jiǎn)稱HULC）*的相關(guān)宣傳資料后發(fā)現(xiàn)，即使讓我們仿制這套系統(tǒng)也很不現(xiàn)實(shí)，它涉及到的前沿科技太多了。 氣壓？是的，在我們仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，我們可以利用氣壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們要求的“簡(jiǎn)單”和“輕便”。 因此我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能的讓我們?cè)O(shè)計(jì)出的機(jī)械外骨骼更簡(jiǎn)單和更輕便。 *在《機(jī)械外骨骼發(fā)展史》中，我們會(huì)詳細(xì)介紹這些已經(jīng)存在的機(jī)械外骨骼。 二、工作原理 在確定了我們將使用氣壓驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)助力后，我們開(kāi)始討論該如何利用選擇的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。最終討論結(jié)果是我們提出了利用小型耐高壓容器儲(chǔ)存足夠多的壓縮空氣作為機(jī)械外骨動(dòng)力源的方案，這樣可以解決以往利用空壓機(jī)時(shí)效率不高產(chǎn)生的能源浪費(fèi)。從而可以讓我們攜帶更輕便的電池，使我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械外骨更輕巧。我們的能源利用效率越高就表明在做同樣功的情況下所攜帶能源越少，設(shè)備越輕便?？諝怛?qū)動(dòng)部件，我們選用了Festo的DMSP型氣動(dòng)肌腱*?！ ? 同一位置測(cè)定肌肉收縮和舒展時(shí)SEMG波形，可以看出肌肉收縮和舒展時(shí)SEMG波形幅值變化明顯，從相關(guān)資料可以知道肌肉收縮強(qiáng)弱正比于SEMG幅值大小。因此我們可以利用采集到的SEMG控制氣動(dòng)肌腱內(nèi)部的氣壓來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)力量的控制。 我們確定了一個(gè)控制方案： １、已知SEMG的v（幅值）可以對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算出一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌腱的氣壓p； ２、當(dāng)探測(cè)到一個(gè)SEMG的v’，就知道需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌腱的氣壓p’； ３、通過(guò)控制電磁閥，在測(cè)壓探頭的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下使氣壓達(dá)到p’。這種控制的優(yōu)點(diǎn)是：可以通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)肌電信號(hào)觸發(fā)幅值的臨界值*，達(dá)到預(yù)知肌肉動(dòng)作的目的，并提前于肌肉開(kāi)始 運(yùn)動(dòng)，由于有機(jī)械和電路的延時(shí)現(xiàn)象，最終可以達(dá)到機(jī)器與人同時(shí)運(yùn)動(dòng)的效果。此外，通過(guò)調(diào)整“已知SEMG的v（幅值）可以對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算出一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌腱的氣壓p”可以方便的改變力量輸出比例。 ４、我們不需要在所助力的關(guān)節(jié)上安裝角度傳感器，因?yàn)檫@套助力系統(tǒng)僅僅是助力。關(guān)節(jié)彎曲在任意角度時(shí)只是有不同力的輸出，角度的感知完全取決于我們自身的反射弧。 *氣動(dòng)肌腱的工作模式是一種拉伸執(zhí)行機(jī)構(gòu)，模仿肌腱運(yùn)動(dòng)。由收縮系統(tǒng)和相應(yīng)的連接件組成。收縮系統(tǒng)是由壓力密封橡膠軟管組成，外面包有一層高強(qiáng)度纖維。纖維為三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，菱形編織。內(nèi)部有壓力時(shí)，軟管就會(huì)向外膨脹，就會(huì)在肌腱的縱向產(chǎn)生拉伸力和收縮運(yùn)動(dòng)。拉伸力與行程形成函數(shù)關(guān)系，可用拉伸力在開(kāi)始收縮時(shí)達(dá)到最大值，隨后直線下降。氣動(dòng)肌腱的優(yōu)點(diǎn)是初始力和加速度高。初始力最高可到相同缸徑傳統(tǒng)氣缸的10倍。高動(dòng)態(tài)響應(yīng)，即使在高負(fù)載下,依舊保持高動(dòng)態(tài)響應(yīng)；工作時(shí)無(wú)抖動(dòng)。無(wú)移動(dòng)機(jī)械部件相互接觸，超慢速移動(dòng)時(shí)完全沒(méi)有抖動(dòng)；定位簡(jiǎn)單。使用最簡(jiǎn)單的技術(shù)通過(guò)壓力控制，無(wú)需位移編碼器；氣密封結(jié)構(gòu)。隔離工作介質(zhì)和大氣，適合用于粉塵和臟污環(huán)境，結(jié)果堅(jiān)固，零泄漏。其缺點(diǎn)在于收縮率比較小最大值可到30%。 *在輸入產(chǎn)生相同膜電流的條件下，依歐姆定律（電流＝電壓／電阻或電壓＝電流／電阻），膜電阻較大的小運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元電壓相對(duì)較高，首先達(dá)到動(dòng)作電位法制而興奮。大運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的膜電阻相對(duì)較小，只有傳入沖動(dòng)（電流）較強(qiáng)時(shí)才可以達(dá)到興奮閥值。 三、主要機(jī)構(gòu)的選擇原則與最終選擇方案 在我們所設(shè)計(jì)的下肢機(jī)械外骨骼的關(guān)節(jié)中，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)難度是最高的。 從人體的解剖示意圖上我們可以看出，人體的髖關(guān)節(jié)就是一個(gè)球面副，其屬于空間運(yùn)動(dòng)副，擁有３個(gè)自由度和很廣的運(yùn)動(dòng)范圍。并且這個(gè)球面副被人體組織深深包裹其中，我們需要想辦法讓機(jī)械外骨骼的髖關(guān)節(jié)擁有和人體髖關(guān)節(jié)一樣的自由度和運(yùn)動(dòng)范圍。 首先我們規(guī)定大腿前后擺動(dòng)是繞著ｘ軸運(yùn)動(dòng)，大腿左右擺動(dòng)是繞著ｙ軸運(yùn)動(dòng)，大腿內(nèi)旋和外旋是繞著ｚ軸運(yùn)動(dòng)。我們看出繞ｘ軸和繞ｙ軸的轉(zhuǎn)動(dòng)副可以在人體以外，但繞ｚ軸運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)副卻只能在人體內(nèi)，這當(dāng)然是不允許的。先劈開(kāi)ｚ軸需要的轉(zhuǎn)動(dòng)副不管，只分析如何可以實(shí)現(xiàn)ｘ軸和ｙ軸的運(yùn)動(dòng)，我們發(fā)現(xiàn)這其實(shí)就是一個(gè)萬(wàn)向節(jié)。最后再考慮ｚ軸的運(yùn)動(dòng)，我們創(chuàng)造性的使用了一個(gè)合頁(yè)結(jié)構(gòu)就完美的解決了問(wèn)題。在目前所掌握的資料中我們是首個(gè)將此結(jié)構(gòu)用于機(jī)械外骨骼中的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。 膝關(guān)節(jié)看似是一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)動(dòng)副，屬于平面運(yùn)動(dòng)副，僅有一個(gè)自由度。按常理設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)是一件很容易的事情，但在這里卻變成了一件相當(dāng)麻煩的事。 膝關(guān)節(jié)是這次我們所設(shè)計(jì)的下肢機(jī)械外骨骼中唯一需要助力的一組關(guān)節(jié)，利用氣動(dòng)肌腱工作。麻煩就出在氣動(dòng)肌腱上。氣動(dòng)肌腱有他自身的特點(diǎn)，在內(nèi)部氣壓恒定時(shí)，隨著氣動(dòng)肌腱工作行程的增加，它所能提供的驅(qū)動(dòng)力呈線性下滑，就如同一根彈簧。 ▲氣動(dòng)肌腱的工作性質(zhì) 氣動(dòng)肌腱的收縮率最大不超過(guò)供貨長(zhǎng)度的３０％。通過(guò)ｆｅｓｔｏ提供的氣動(dòng)肌腱選型軟件我們可以很清楚的確定氣動(dòng)肌腱的數(shù)學(xué)模型。 在Autodesk（歐特克）開(kāi)發(fā)的Inventor三維CAD/CAE軟件中，我們引用氣動(dòng)肌腱的數(shù)學(xué)模型，在不同的機(jī)構(gòu)中試驗(yàn)得出測(cè)試結(jié)論并進(jìn)行比較。我們對(duì)單個(gè)膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)要求是，運(yùn)動(dòng)范圍145°，在氣動(dòng)肌腱的驅(qū)動(dòng)下能負(fù)載至少350N重物從完全蹲下到完全站立。因?yàn)槭悄M膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)我們?cè)跍y(cè)試中用到的幾種多桿機(jī)構(gòu)都有相同的基本尺寸，以保證我們的測(cè)試結(jié)果有可對(duì)比性。 下面的幾種多桿機(jī)構(gòu)是我們考慮和分析過(guò)的。 一、簡(jiǎn)單杠桿機(jī)構(gòu) 在我們給定的參數(shù)下，這個(gè)機(jī)構(gòu)在使用氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)時(shí)大大超出了肌腱允許的收縮范圍。因此我們不再對(duì)它做進(jìn)一步的分析。 二、滑輪機(jī)構(gòu) 在測(cè)試中我們可以保證氣動(dòng)肌腱在允許的收縮范圍內(nèi)工作，但經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的力學(xué)分析，我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)機(jī)構(gòu)在初始運(yùn)動(dòng)時(shí)（完全蹲下），可以提供相當(dāng)大的負(fù)載能力，在不斷地站立起來(lái)后，負(fù)載能力隨之迅速下降。 這個(gè)分析我們是利用inventor草圖的CAGD完成的，通過(guò)使用關(guān)系式進(jìn)行草圖的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。下圖圖示左圖中顯示的“612.592”代表的就是在蹲起開(kāi)始時(shí)的瞬間負(fù)載能力是612.592N；右圖中顯示的“11.063”代表的就是當(dāng)站立動(dòng)作快結(jié)束時(shí)的一個(gè)瞬間負(fù)載能力是11.063N。 這個(gè)結(jié)果顯然不是我們想要的。 三、經(jīng)典的四桿機(jī)構(gòu) 在測(cè)試中我們可以保證氣動(dòng)肌腱在允許的收縮范圍內(nèi)工作。我們這次將通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)分析這個(gè)機(jī)構(gòu)是否符合我們的要求。 很遺憾這個(gè)機(jī)構(gòu)在負(fù)載350N時(shí)沒(méi)能在起蹲時(shí)站起反而又向下蹲去，通過(guò)下圖圖示我們看到，在檢測(cè)以彈簧所表示的氣動(dòng)肌健時(shí)，它的彈力沒(méi)有下降反而上升了。說(shuō)明氣動(dòng)肌健不堪重負(fù)被迫拉伸了，在現(xiàn)實(shí)中氣動(dòng)肌腱有可能就會(huì)被撕裂。 四、變支點(diǎn)多桿機(jī)構(gòu) 在測(cè)試中我們可以保證氣動(dòng)肌腱在允許的收縮范圍內(nèi)工作。我們這次將通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真來(lái)分析這個(gè)機(jī)構(gòu)是否符合我們的要求。 從圖示中可以看出，在負(fù)載350N時(shí)機(jī)構(gòu)順利運(yùn)行，代表氣動(dòng)肌腱的彈簧彈力一直呈下降趨勢(shì)，沒(méi)有被拉伸。 因此，在膝關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中我們最終確定使用“變支點(diǎn)多桿機(jī)構(gòu)”。 五、主要電路原理圖 表面肌電（surface electromyography, SEMG）信號(hào)是神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在進(jìn)行活動(dòng)時(shí)的生物電變化經(jīng)表面電極引導(dǎo)、放大、濾波所獲得的一維電壓時(shí)間序列信號(hào)，其振幅約為0-5000μV，頻率0-1000Hz 電極極片的基體用銅制作， 表面鍍銀，其形式采用常用的雙極型，并在兩個(gè)電極中間插入了一個(gè)參考電極，也稱作無(wú)關(guān)電極，以利于降低噪聲，提高對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。為了消除來(lái)自電源線的噪聲，采用差動(dòng)放大的方法。 肌電信號(hào)由兩個(gè)電極來(lái)檢測(cè)，兩個(gè)輸入信號(hào)“相減”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差?！背煞?。任何噪聲如果離檢測(cè)點(diǎn)很遠(yuǎn)，在檢測(cè)點(diǎn)上將表現(xiàn)為“共模”信號(hào);而檢測(cè)表面附近的信號(hào)表現(xiàn)為不同，將被放大。因此，相對(duì)較遠(yuǎn)處的電力線噪聲將被消除，而相對(duì)比較近處的肌電信號(hào)將被放大。 在設(shè)計(jì)肌電信號(hào)放大電路時(shí)， 1.高增益：表面肌電信號(hào)幅度約在分布μV～mV數(shù)量級(jí)之間，是一種極其微弱的信號(hào)，要將其放大到一伏左右才能方便使用，所以將放大器的增益設(shè)置在80dB。2.高共模抑制比：表面肌電信號(hào)的采集易受50Hz工頻電源及其它高頻電噪聲的干擾。但這些干擾信號(hào)在放大器的輸入端表現(xiàn)為同幅同相的信號(hào)——共模信號(hào)，因此選用高共模抑制比的放大電路對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。3.高輸入阻抗：肌肉組織與電極之間的接觸阻抗可能在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化，天氣干燥地區(qū)，接觸電阻甚至高達(dá)幾萬(wàn)歐姆，在這種條件下，即使放大器的共模比極優(yōu)良，如果輸入阻抗不夠高，共模干擾信號(hào)也會(huì)造成輸出誤差。因此必須提高放大器的輸入阻抗。 放大電路的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的肌電信號(hào)采集電路要求具有高增益、高輸入阻抗、高共摸抑制比（CMRR）、低零漂、低失調(diào)、低功耗、尤其是低的1/f噪聲電壓。我們采用的是儀表放大器AD620 表面肌電信號(hào)非常微弱，從電極引導(dǎo)出的信號(hào)夾雜著很強(qiáng)的干擾信號(hào)，為了避免在干擾較強(qiáng)時(shí)信號(hào)進(jìn)入非線性區(qū)引起嚴(yán)重失真，應(yīng)該采用兩級(jí)放大。儀表放大器作為一級(jí)放大，比例運(yùn)算放大器LM324作為二級(jí)放大。 濾波器的設(shè)計(jì) 表面肌電信號(hào)一般只有毫伏級(jí)電壓，信號(hào)中往往夾帶著低頻（接近直流）和高頻的干擾信號(hào)，真正有用的肌電信號(hào)大致在10Hz-500Hz之間。二階低通有源濾波電路： 二階高通有源濾波電路： 50HZ工頻陷波電路——采用雙T帶阻濾波器（陷波器，除此之外，50Hz的工頻信號(hào)也是一個(gè)重要的干擾源，如果不去除可能會(huì)掩蓋表面肌電信號(hào)，采用雙T有源濾波器來(lái)濾除50Hz的工頻信號(hào)。因此電路要具有高共模抑制比和好的抗干擾性，低通濾波器采用壓控電壓源型二階低通濾波器。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的:世界人口正在加速老化，老齡化社會(huì)正不可避免的到來(lái)。這樣的社會(huì)有兩個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題就是勞動(dòng)力的匱乏和越來(lái)越多的老年人需要年輕人來(lái)照顧。我們需要一種機(jī)器用以輔助體弱者及中老年人運(yùn)動(dòng)，來(lái)幫助這部分人提高他們的自理能力和改善他們的生活質(zhì)量。 思路:利用附著在人體上的機(jī)械來(lái)輔助體弱者及中老年人運(yùn)動(dòng)的。利用高壓氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械外骨骼和用采集人體表面肌電信號(hào)（SEMG）的方式控制機(jī)械外骨骼的運(yùn)動(dòng)。 創(chuàng)新點(diǎn):使用緊身設(shè)計(jì)的下肢機(jī)械外骨骼，使用氣動(dòng)肌腱作為膝關(guān)節(jié)助力的驅(qū)動(dòng)單元。 技術(shù)關(guān)鍵:在緊身設(shè)計(jì)的前提下成功解決如何通過(guò)附著機(jī)械模擬人體髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的技術(shù)難題即通過(guò)5個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副模擬一個(gè)球面副運(yùn)動(dòng)。 主要技術(shù)指標(biāo):外骨骼可保證左右髖關(guān)節(jié)各內(nèi)收5°，外旋50°，橫向擺動(dòng)30°，縱向擺動(dòng)110°；膝關(guān)節(jié)最大屈曲140°；每個(gè)膝關(guān)節(jié)使用單根FESTO提供的DMSP型氣動(dòng)肌腱，外骨骼額定負(fù)重70公斤；
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 與現(xiàn)有公開(kāi)展示的機(jī)械外骨骼產(chǎn)品相比，我們首次將氣動(dòng)肌腱作為下肢機(jī)械外骨骼的驅(qū)動(dòng)部件。我們嘗試了多種機(jī)構(gòu)使機(jī)械外骨骼在膝關(guān)節(jié)助力上保持較穩(wěn)定的力量輸出，使人在最大額定負(fù)重時(shí)從完全蹲下到站直的各狀態(tài)中保證都可以完成站立動(dòng)作。我們將這個(gè)機(jī)械外骨骼膝關(guān)節(jié)的助力機(jī)構(gòu)叫做“變支點(diǎn)多桿機(jī)構(gòu)”。 在這次對(duì)下肢機(jī)械外骨骼的設(shè)計(jì)中我們使用的是緊身設(shè)計(jì)。其中髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)是我們重點(diǎn)解決的問(wèn)題。從解剖學(xué)上來(lái)說(shuō)人體的髖關(guān)節(jié)是球窩關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)類型就是機(jī)械上所說(shuō)的球面副。我們的解決方案是使用五個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副來(lái)模擬這個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，在計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)際應(yīng)用中效果很好，滿足一般人們髖關(guān)節(jié)內(nèi)收和外旋的角度。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)合作
作品可展示的形式
- 模型，圖紙，磁盤(pán)，現(xiàn)場(chǎng)演示，圖片，錄像，樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 使用說(shuō)明：通過(guò)腳部、大腿、腰部及肩膀的安全帶將下肢機(jī)械外骨骼附著在人體上。在背架上設(shè)有負(fù)載支架可以裝載重物。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：使用壓縮空氣直接驅(qū)動(dòng)，不需要電氣轉(zhuǎn)換，提高了能源的使用效率；由于氣動(dòng)肌腱沒(méi)有類似氣缸的活塞結(jié)構(gòu)，使其便于保養(yǎng)和維護(hù)，同時(shí)使整個(gè)設(shè)備更輕便；緊身設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)不再受限制，穿戴更舒適。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制原理不復(fù)雜，為未來(lái)可能的投產(chǎn)有效地控制了成本。 輔助老人和體弱者短途行走和解決在日常生活中遇到的需要搬運(yùn)70kg以下重物的問(wèn)題；隨著老齡化社會(huì)的到來(lái)，這類輔助機(jī)械將會(huì)有廣闊的應(yīng)用空間，在有效控制成本的情況下這類商品將成為每個(gè)家庭中的必須品，普及程度將如一輛微型車(chē)。適用人群主要集中在尚能獨(dú)立行走的中老年人和需要助力支持的青壯年人。這是一種新興的產(chǎn)品，如果將制造成本壓縮在5萬(wàn)元左右，預(yù)計(jì)市場(chǎng)空間將達(dá)到40至50億。
同類課題研究水平概述
- 機(jī)械外骨骼又稱動(dòng)力外骨骼（Powered Exoskeleton），能穿在人身上,給人提供保護(hù)、額外的動(dòng)力或能力，增強(qiáng)人體機(jī)能，如使腿殘疾的人能自己上樓，讓士兵能健步如飛、無(wú)障礙奔跑且不會(huì)疲勞、不會(huì)受傷等等。國(guó)外的研究起步很早，在美國(guó)這個(gè)概念首次出現(xiàn)在1963年驚奇漫畫(huà)上的虛構(gòu)漫畫(huà)英雄鋼鐵俠（Iron Man）中。但在1690年，通用電氣公司就研制了一種名為“哈迪曼1（Pitman）” 的可佩戴單兵裝備，但僅僅只能替代人的一只手。 2001年，在美國(guó)高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的贊助下，加州的伯克萊大學(xué)、田納西州的橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和鹽湖城的Sarcos公司分別開(kāi)始了對(duì)機(jī)器外甲的開(kāi)發(fā)。DARPA的目標(biāo)是為戰(zhàn)士們?cè)O(shè)計(jì)一種可穿戴的機(jī)器外甲，能讓士兵在雙倍負(fù)重的情況下更快更久地行軍，這種鎧甲在提高力量和防御能力的同時(shí)又要保證靈活性，使穿著者仍舊能夠匍匐過(guò)鐵絲網(wǎng)或翻過(guò)戰(zhàn)壕。三個(gè)團(tuán)隊(duì)的前期研究都取得了不錯(cuò)的成果，最終Sarcos公司的XOS雀屏中選，進(jìn)入了最后的研究階段。目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示它正在一步步地接近DARPA的目標(biāo)。XOS使用壓力感應(yīng)器來(lái)感知使用者的動(dòng)作意圖。安裝在手或腳上的感應(yīng)器以讀取壓力數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)分析出用戶的動(dòng)作意圖并在使用者真正用力之前控制液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械裝備做出相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。穿著XOS的實(shí)驗(yàn)者曾經(jīng)連續(xù)500次舉起200磅（90公斤）重的杠鈴，而他最后放棄的理由不是疲倦，而是厭煩。 2009年，最引人注目的是洛克希德馬丁公司（Lockheed Martin）開(kāi)發(fā)的“人類負(fù)重外骨骼”（The Human Universal Load Carrier簡(jiǎn)稱HULC）。HULC系統(tǒng)的最大負(fù)重量可以達(dá)到90.7千克。HULC是一種模仿人體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的外穿型機(jī)械骨骼，內(nèi)部配備有液壓傳動(dòng)裝置和可像關(guān)節(jié)一樣彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不但能夠直立行進(jìn)，還可完成下蹲和匍匐等多種相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作。HULC動(dòng)力源為兩塊總重量3.6千克的鋰聚合物電池。在一次充滿電后，HULC可保證穿著者以4.8公里/小時(shí)的速度背負(fù)90千克重物持續(xù)行進(jìn)一個(gè)小時(shí)。而穿著HULC的沖刺速度則可達(dá)到16公里/小時(shí)。 相比之下國(guó)內(nèi)從事機(jī)械外骨骼研究起步就要晚很多，并且沒(méi)有多少個(gè)人或機(jī)構(gòu)從事這方面的研究。我們要縮短差距還要有很長(zhǎng)的一段路要走。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)將改變我們的生活。
