浅谈空气驱动的下肢机械外骨骼设计

摘要： 人口老龄化已成为当今世界的一个突出的社会问题。退休人口数量增加、人类寿命延长及少子化趋势加速、社会有两个严重问题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。

关键词： 气动肌腱；高压气瓶；肌电信号

1 空气驱动的下肢机械外骨骼创新分析

创新设计的方法是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。我们的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。

2 空气驱动的下肢机械外骨骼设计对策

2.1 方案设计：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。

2.2 控制原理 控制原理：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；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’；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。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。

2.3 相关参数确定 下面的机构简图中可以清晰地看到这个合页结构是如何完成z轴的扰动的。从三维视图中可以清晰地看到万向节和合页是如何配合工作来实现机械外骨骼的髋关节。

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。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，气动肌腱有它自身的特点，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。

2.4 表面肌电 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。

2.5 放大电路 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。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。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。

3 小结

空气驱动的机械外骨骼将会帮助中老年人提高自理能力和帮助年轻人提高所能负担的生活重量。由于结构简单，所使用的技术成熟，相信可以有效地控制成本，更易于在群众中普及，市场前景看好。

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