基本信息
- 项目名称：
- 空气驱动的下肢机械外骨骼
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 利用附着在人体上的机械来辅助体弱者及中老年人运动的。利用高压气瓶内的压缩空气驱动机械外骨骼和用采集人体表面肌电信号（SEMG）的方式控制机械外骨骼的运动。创新之一是使用了更先进的空气驱动部件——气动肌腱和直接使用可重复使用的高压气瓶。能源利用率高，可以获得更经济的使用时间。同时我们对机械外骨骼的一个关键结构作出了比较重大的创新，较同类机械外骨上的结构可以更好的支持穿戴者的运动。
- 详细介绍：
- 一、设计目的和设计目标 世界人口正在加速老化。生育率在下降，而人的寿命在延长。从现在起到2050年之间，60岁以上的人口将从大约6亿增至20亿。而我国老龄化速度更快，据联合国预测，1990-2020年世界老龄人口平均年增速度为2.5%，同期我国老龄人口的递增速度为3.3%，世界老龄人口占总人口的比重从1995年的6.6%上升至2020年9.3%，同期我国由6.1%上升至11.5%，无论从增长速度和比重都超过了世界老龄化的速度和比重，到2020年我国65岁以上老龄人口将达1.67亿人，约占全世界老龄人口6.98亿人的24%，全世界四个人中就有一个是中国老年人。 老龄化社会的两个严重问题就是劳动力的匮乏和越来越多的老年人需要年轻人来照顾。如今，我国第一代独生子女的父母已经开始步入老年。与自己多儿多女的父母不同，唯一的子女将承担赡养他们的重任。未来，更多的家庭将出现4个老年人、1对夫妇和1个孩子的“四二一”结构。这样在生活中就经常会遇到“人手不足”的尴尬。我们急需要使用一些新型的助力机器来解决这些问题。机械外骨骼，也许就是一种解决途径。老人们穿上它可以提高自理能力；年轻人穿上它可以帮助更多的老人们。 电影《钢铁侠》中的男主角在穿上他的钢铁战衣后立刻从普通人变身为超人，那是因为他的机械外骨骼拥有神奇强大的能源——以金属钯为原料的微型核电装置。当然电影中的这种能源装置这在目前的科技水平下还是相当科幻的。因此我们必须在设计机械外骨时格外考虑它的能源利用效率，来达到节能的目的，使它在现有的储能技术条件下工作更长时间。同时我们也希望这件机械外套能尽可能的简单和轻便一些。 我们到底该选择一种怎样的能源和驱动装置来实现“简单”和“轻便”呢。就目前来看，在可以独立运行的机械外骨上无外乎都是以电池做为能量来源，利用电动机直接驱动或者使用压缩机转化为气压或者液压驱动；从机械外骨的控制方式选取上，大家都一致使用了表面肌电信号（SEMG，是浅层肌肉肌电信号和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应）作为控制信号源。 电动机？使用电动机控制机械外骨是相当复杂的，况且这种机械外骨在实际使用中对电机和控制系统的要求都很高。由日本筑波大学山海嘉之（Yoshiyuki Sankai）教授开发的HAL*就是使用这类驱动控制方式的机械外骨。 液压？在看过洛克希德•马丁公司推出的一款已经用于实战的机械外骨——人类负重外骨骼（简称HULC）*的相关宣传资料后发现，即使让我们仿制这套系统也很不现实，它涉及到的前沿科技太多了。 气压？是的，在我们仔细分析后发现，我们可以利用气压驱动来实现我们要求的“简单”和“轻便”。 因此我们的设计目标是尽可能的让我们设计出的机械外骨骼更简单和更轻便。 *在《机械外骨骼发展史》中，我们会详细介绍这些已经存在的机械外骨骼。 二、工作原理 在确定了我们将使用气压驱动方式来实现助力后，我们开始讨论该如何利用选择的方式来实现设计目标。最终讨论结果是我们提出了利用小型耐高压容器储存足够多的压缩空气作为机械外骨动力源的方案，这样可以解决以往利用空压机时效率不高产生的能源浪费。从而可以让我们携带更轻便的电池，使我们设计的机械外骨更轻巧。我们的能源利用效率越高就表明在做同样功的情况下所携带能源越少，设备越轻便。空气驱动部件，我们选用了Festo的DMSP型气动肌腱*。 同一位置测定肌肉收缩和舒展时SEMG波形，可以看出肌肉收缩和舒展时SEMG波形幅值变化明显，从相关资料可以知道肌肉收缩强弱正比于SEMG幅值大小。因此我们可以利用采集到的SEMG控制气动肌腱内部的气压来实现对力量的控制。 我们确定了一个控制方案： １、已知SEMG的v（幅值）可以对应设计计算出一个驱动气动肌腱的气压p； ２、当探测到一个SEMG的v’，就知道需要一个驱动气动肌腱的气压p’； ３、通过控制电磁阀，在测压探头的实时监测下使气压达到p’。这种控制的优点是：可以通过调节对肌电信号触发幅值的临界值*，达到预知肌肉动作的目的，并提前于肌肉开始 运动，由于有机械和电路的延时现象，最终可以达到机器与人同时运动的效果。此外，通过调整“已知SEMG的v（幅值）可以对应设计计算出一个驱动气动肌腱的气压p”可以方便的改变力量输出比例。 ４、我们不需要在所助力的关节上安装角度传感器，因为这套助力系统仅仅是助力。关节弯曲在任意角度时只是有不同力的输出，角度的感知完全取决于我们自身的反射弧。 *气动肌腱的工作模式是一种拉伸执行机构，模仿肌腱运动。由收缩系统和相应的连接件组成。收缩系统是由压力密封橡胶软管组成，外面包有一层高强度纤维。纤维为三维网状结构，菱形编织。内部有压力时，软管就会向外膨胀，就会在肌腱的纵向产生拉伸力和收缩运动。拉伸力与行程形成函数关系，可用拉伸力在开始收缩时达到最大值，随后直线下降。气动肌腱的优点是初始力和加速度高。初始力最高可到相同缸径传统气缸的10倍。高动态响应，即使在高负载下,依旧保持高动态响应；工作时无抖动。无移动机械部件相互接触，超慢速移动时完全没有抖动；定位简单。使用最简单的技术通过压力控制，无需位移编码器；气密封结构。隔离工作介质和大气，适合用于粉尘和脏污环境，结果坚固，零泄漏。其缺点在于收缩率比较小最大值可到30%。 *在输入产生相同膜电流的条件下，依欧姆定律（电流＝电压／电阻或电压＝电流／电阻），膜电阻较大的小运动神经元电压相对较高，首先达到动作电位法制而兴奋。大运动神经元的膜电阻相对较小，只有传入冲动（电流）较强时才可以达到兴奋阀值。 三、主要机构的选择原则与最终选择方案 在我们所设计的下肢机械外骨骼的关节中，髋关节和膝关节的设计难度是最高的。 从人体的解剖示意图上我们可以看出，人体的髋关节就是一个球面副，其属于空间运动副，拥有３个自由度和很广的运动范围。并且这个球面副被人体组织深深包裹其中，我们需要想办法让机械外骨骼的髋关节拥有和人体髋关节一样的自由度和运动范围。 首先我们规定大腿前后摆动是绕着ｘ轴运动，大腿左右摆动是绕着ｙ轴运动，大腿内旋和外旋是绕着ｚ轴运动。我们看出绕ｘ轴和绕ｙ轴的转动副可以在人体以外，但绕ｚ轴运动的转动副却只能在人体内，这当然是不允许的。先劈开ｚ轴需要的转动副不管，只分析如何可以实现ｘ轴和ｙ轴的运动，我们发现这其实就是一个万向节。最后再考虑ｚ轴的运动，我们创造性的使用了一个合页结构就完美的解决了问题。在目前所掌握的资料中我们是首个将此结构用于机械外骨骼中的设计团队。 膝关节看似是一个简单的转动副，属于平面运动副，仅有一个自由度。按常理设计一个机构实现转动是一件很容易的事情，但在这里却变成了一件相当麻烦的事。 膝关节是这次我们所设计的下肢机械外骨骼中唯一需要助力的一组关节，利用气动肌腱工作。麻烦就出在气动肌腱上。气动肌腱有他自身的特点，在内部气压恒定时，随着气动肌腱工作行程的增加，它所能提供的驱动力呈线性下滑，就如同一根弹簧。 ▲气动肌腱的工作性质 气动肌腱的收缩率最大不超过供货长度的３０％。通过ｆｅｓｔｏ提供的气动肌腱选型软件我们可以很清楚的确定气动肌腱的数学模型。 在Autodesk（欧特克）开发的Inventor三维CAD/CAE软件中，我们引用气动肌腱的数学模型，在不同的机构中试验得出测试结论并进行比较。我们对单个膝关节的运动参数要求是，运动范围145°，在气动肌腱的驱动下能负载至少350N重物从完全蹲下到完全站立。因为是模拟膝关节的运动我们在测试中用到的几种多杆机构都有相同的基本尺寸，以保证我们的测试结果有可对比性。 下面的几种多杆机构是我们考虑和分析过的。 一、简单杠杆机构 在我们给定的参数下，这个机构在使用气动肌腱驱动时大大超出了肌腱允许的收缩范围。因此我们不再对它做进一步的分析。 二、滑轮机构 在测试中我们可以保证气动肌腱在允许的收缩范围内工作，但经过简单的力学分析，我们发现这个机构在初始运动时（完全蹲下），可以提供相当大的负载能力，在不断地站立起来后，负载能力随之迅速下降。 这个分析我们是利用inventor草图的CAGD完成的，通过使用关系式进行草图的约束来实现。下图图示左图中显示的“612.592”代表的就是在蹲起开始时的瞬间负载能力是612.592N；右图中显示的“11.063”代表的就是当站立动作快结束时的一个瞬间负载能力是11.063N。 这个结果显然不是我们想要的。 三、经典的四杆机构 在测试中我们可以保证气动肌腱在允许的收缩范围内工作。我们这次将通过运动仿真来分析这个机构是否符合我们的要求。 很遗憾这个机构在负载350N时没能在起蹲时站起反而又向下蹲去，通过下图图示我们看到，在检测以弹簧所表示的气动肌健时，它的弹力没有下降反而上升了。说明气动肌健不堪重负被迫拉伸了，在现实中气动肌腱有可能就会被撕裂。 四、变支点多杆机构 在测试中我们可以保证气动肌腱在允许的收缩范围内工作。我们这次将通过运动仿真来分析这个机构是否符合我们的要求。 从图示中可以看出，在负载350N时机构顺利运行，代表气动肌腱的弹簧弹力一直呈下降趋势，没有被拉伸。 因此，在膝关节的设计中我们最终确定使用“变支点多杆机构”。 五、主要电路原理图 表面肌电（surface electromyography, SEMG）信号是神经肌肉系统在进行活动时的生物电变化经表面电极引导、放大、滤波所获得的一维电压时间序列信号，其振幅约为0-5000μV，频率0-1000Hz 电极极片的基体用铜制作， 表面镀银，其形式采用常用的双极型，并在两个电极中间插入了一个参考电极，也称作无关电极，以利于降低噪声，提高对共模信号的抑制能力。为了消除来自电源线的噪声，采用差动放大的方法。 肌电信号由两个电极来检测，两个输入信号“相减”，去掉相同的“共模”成份，只放大不同的“差模”成份。任何噪声如果离检测点很远，在检测点上将表现为“共模”信号;而检测表面附近的信号表现为不同，将被放大。因此，相对较远处的电力线噪声将被消除，而相对比较近处的肌电信号将被放大。 在设计肌电信号放大电路时， 1.高增益：表面肌电信号幅度约在分布μV～mV数量级之间，是一种极其微弱的信号，要将其放大到一伏左右才能方便使用，所以将放大器的增益设置在80dB。2.高共模抑制比：表面肌电信号的采集易受50Hz工频电源及其它高频电噪声的干扰。但这些干扰信号在放大器的输入端表现为同幅同相的信号——共模信号，因此选用高共模抑制比的放大电路对干扰信号进行抑制。3.高输入阻抗：肌肉组织与电极之间的接触阻抗可能在相当大的范围内变化，天气干燥地区，接触电阻甚至高达几万欧姆，在这种条件下，即使放大器的共模比极优良，如果输入阻抗不够高，共模干扰信号也会造成输出误差。因此必须提高放大器的输入阻抗。 放大电路的设计 设计的肌电信号采集电路要求具有高增益、高输入阻抗、高共摸抑制比（CMRR）、低零漂、低失调、低功耗、尤其是低的1/f噪声电压。我们采用的是仪表放大器AD620 表面肌电信号非常微弱，从电极引导出的信号夹杂着很强的干扰信号，为了避免在干扰较强时信号进入非线性区引起严重失真，应该采用两级放大。仪表放大器作为一级放大，比例运算放大器LM324作为二级放大。 滤波器的设计 表面肌电信号一般只有毫伏级电压，信号中往往夹带着低频（接近直流）和高频的干扰信号，真正有用的肌电信号大致在10Hz-500Hz之间。二阶低通有源滤波电路： 二阶高通有源滤波电路： 50HZ工频陷波电路——采用双T带阻滤波器（陷波器，除此之外，50Hz的工频信号也是一个重要的干扰源，如果不去除可能会掩盖表面肌电信号，采用双T有源滤波器来滤除50Hz的工频信号。因此电路要具有高共模抑制比和好的抗干扰性，低通滤波器采用压控电压源型二阶低通滤波器。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的:世界人口正在加速老化，老龄化社会正不可避免的到来。这样的社会有两个严重问题就是劳动力的匮乏和越来越多的老年人需要年轻人来照顾。我们需要一种机器用以辅助体弱者及中老年人运动，来帮助这部分人提高他们的自理能力和改善他们的生活质量。 思路:利用附着在人体上的机械来辅助体弱者及中老年人运动的。利用高压气瓶内的压缩空气驱动机械外骨骼和用采集人体表面肌电信号（SEMG）的方式控制机械外骨骼的运动。 创新点:使用紧身设计的下肢机械外骨骼，使用气动肌腱作为膝关节助力的驱动单元。 技术关键:在紧身设计的前提下成功解决如何通过附着机械模拟人体髋关节运动的技术难题即通过5个转动副模拟一个球面副运动。 主要技术指标:外骨骼可保证左右髋关节各内收5°，外旋50°，横向摆动30°，纵向摆动110°；膝关节最大屈曲140°；每个膝关节使用单根FESTO提供的DMSP型气动肌腱，外骨骼额定负重70公斤；
科学性、先进性
- 与现有公开展示的机械外骨骼产品相比，我们首次将气动肌腱作为下肢机械外骨骼的驱动部件。我们尝试了多种机构使机械外骨骼在膝关节助力上保持较稳定的力量输出，使人在最大额定负重时从完全蹲下到站直的各状态中保证都可以完成站立动作。我们将这个机械外骨骼膝关节的助力机构叫做“变支点多杆机构”。 在这次对下肢机械外骨骼的设计中我们使用的是紧身设计。其中髋关节的设计是我们重点解决的问题。从解剖学上来说人体的髋关节是球窝关节，运动类型就是机械上所说的球面副。我们的解决方案是使用五个转动副来模拟这个关节的运动，在计算机模拟和实际应用中效果很好，满足一般人们髋关节内收和外旋的角度。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术合作
作品可展示的形式
- 模型，图纸，磁盘，现场演示，图片，录像，样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：通过脚部、大腿、腰部及肩膀的安全带将下肢机械外骨骼附着在人体上。在背架上设有负载支架可以装载重物。 技术特点和优势：使用压缩空气直接驱动，不需要电气转换，提高了能源的使用效率；由于气动肌腱没有类似气缸的活塞结构，使其便于保养和维护，同时使整个设备更轻便；紧身设计，运动不再受限制，穿戴更舒适。结构简单，控制原理不复杂，为未来可能的投产有效地控制了成本。 辅助老人和体弱者短途行走和解决在日常生活中遇到的需要搬运70kg以下重物的问题；随着老龄化社会的到来，这类辅助机械将会有广阔的应用空间，在有效控制成本的情况下这类商品将成为每个家庭中的必须品，普及程度将如一辆微型车。适用人群主要集中在尚能独立行走的中老年人和需要助力支持的青壮年人。这是一种新兴的产品，如果将制造成本压缩在5万元左右，预计市场空间将达到40至50亿。
同类课题研究水平概述
- 机械外骨骼又称动力外骨骼（Powered Exoskeleton），能穿在人身上,给人提供保护、额外的动力或能力，增强人体机能，如使腿残疾的人能自己上楼，让士兵能健步如飞、无障碍奔跑且不会疲劳、不会受伤等等。国外的研究起步很早，在美国这个概念首次出现在1963年惊奇漫画上的虚构漫画英雄钢铁侠（Iron Man）中。但在1690年，通用电气公司就研制了一种名为“哈迪曼1（Pitman）” 的可佩戴单兵装备，但仅仅只能替代人的一只手。 2001年，在美国高级研究计划局(DARPA)的赞助下，加州的伯克莱大学、田纳西州的橡树岭国家实验室和盐湖城的Sarcos公司分别开始了对机器外甲的开发。DARPA的目标是为战士们设计一种可穿戴的机器外甲，能让士兵在双倍负重的情况下更快更久地行军，这种铠甲在提高力量和防御能力的同时又要保证灵活性，使穿着者仍旧能够匍匐过铁丝网或翻过战壕。三个团队的前期研究都取得了不错的成果，最终Sarcos公司的XOS雀屏中选，进入了最后的研究阶段。目前的实验结果显示它正在一步步地接近DARPA的目标。XOS使用压力感应器来感知使用者的动作意图。安装在手或脚上的感应器以读取压力数据，计算机分析出用户的动作意图并在使用者真正用力之前控制液压驱动的机械装备做出相应的运动。穿着XOS的实验者曾经连续500次举起200磅（90公斤）重的杠铃，而他最后放弃的理由不是疲倦，而是厌烦。 2009年，最引人注目的是洛克希德马丁公司（Lockheed Martin）开发的“人类负重外骨骼”（The Human Universal Load Carrier简称HULC）。HULC系统的最大负重量可以达到90.7千克。HULC是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械骨骼，内部配备有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构设计，不但能够直立行进，还可完成下蹲和匍匐等多种相对复杂的动作。HULC动力源为两块总重量3.6千克的锂聚合物电池。在一次充满电后，HULC可保证穿着者以4.8公里/小时的速度背负90千克重物持续行进一个小时。而穿着HULC的冲刺速度则可达到16公里/小时。 相比之下国内从事机械外骨骼研究起步就要晚很多，并且没有多少个人或机构从事这方面的研究。我们要缩短差距还要有很长的一段路要走。在可预见的未来这项技术将改变我们的生活。
