于穿戴式上肢外骨骼健身器创新设计研究

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关于穿戴式上肢外骨骼健身器创新设计研究

韩飞蔡怡旭扬勇陈凯洪张裕骏

（厦门理工学院机械与汽车工程学院福建厦门

３６１

０２４）

摘要：本喷目研完基于人机一体化概念，灵活运用气压传动技术。优化外骨骼－－５人．体粕舍性，实现上肢健身暑集——自由度大．比体积

小．功能齐全于一身。

关键词：多功能穿曩式

上肢

外膏謦幕皖

健身器材

决了外骨骼健身器阻力装置问题。我们最

１前言

本实验研究基于人机一体化概念，灵活运用气压传动技术，优化外骨骼与人体耦合性，实现上肢健身器集——自由度大、比体积小、功能齐全于一身。实物模型（见图１）。１．１健身器基本原理

将外骨骼作为该健身器的基本构架，微型气缸配合控制阀门作为健身器的阻力

装置。由于肢体各个关节的转动运动均来

整体的协调运动。因此，我们先从人体上肢关节运动机理角度对外骨骼系统进行仿生

结构设计。

终决定采用此方案。

２．２．１阻力装置原理

２．１．１外骨骼自由度设计

人体上肢由肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手掌组成。根据Ａ Ｍｏｒｅｃｋｉ的观点，人体上肢有２７个自由度，其中手掌２０个，手臂部分７个（见图２）。结合控制各关节基本运动的

骨骼肌以及常见健身项目分析，本次实验只

气缸一般是作为气动系统里的执行元件，往气缸进气口通人高压空气，气缸中的活塞便受到压力作用，开始沿压力方向运动。这就是气缸的基本原理。采用双向微型气缸。在气缸的两个进排气口分别安装可

调节节流阀，节流阀的另一端直接通向大

自于各关节骨骼肌和韧带的拉长和收缩。

因此，使用微型气缸受力拉伸或压缩时产生的阻力作用在肢体驱动的外骨骼上，即

对手臂上的６个自由度进行研究。

针对球窝关节，我们采用３ＲＰＳ并联机

构结合一个滑环结构。３ＲＰＳ并联机构是一种具有３个自由度，结构简单，应用广泛的

气。结构。当气缸拉杆受到来自外骨骼施加

的拉（压）力的时候，活塞开始向左（右）运

可对肢体施加反向作用力，对肢体骨骼肌起到锻炼的作用。

１．２外骨骼自由度分析

人的肢体是一个极其复杂的运动机构，其自由度多达２７个。基于本次实验，我们暂时选定其中健身最经常涉及到的６个自由度进行对应的外骨骼研究开发。其中

包括：肩部３个自由度（外展／内敛、屈／伸、

并联机构，在该外骨骼机构中，３ＲＰＳ并联机构由３跟双向微型气缸构成。其中２个旋转自由度能够实现肩关节的外展／内敛和屈／伸运动。而第３个沿Ｚ轴线方向上的平移自由度可用来根据穿戴者手臂的长度进行外骨骼长度的自适应调节，这个自由度在手臂上是不存在的。在这里，外骨骼自由度

比我们预想的多出１个。球窝关节的轴向转动则依靠滑环机构实现。２．１．２外骨骼基本尺寸设计

本实验选择５０百分位数的男性肢体尺寸作为设计基本依据。在实验中，我们考虑

动。此时，Ａ腔的的容积减ｔｂ（增大），ａ口开始进气（排气），Ｂ腔的容积增大（减小），ｂ口开始排气（进气）。由于进排气口均受到节流阀的控制，进排气速度相对较慢，因此在Ａ腔形成了高压（低压），Ｂ腔形成了低压（高压）。在两腔室气压差的作用下，活塞受到向右（左）的反作用力，该力即为我们需要的阻力。通过调节节流阀的开度，可以控制运

动过程中气缸内压力差的大小，即可调节阻力的大小。当气缸中活塞静止于任意位置时，Ａ、Ｂ腔内气压均等于大气压，不存在压力差。活塞也不受力的作用。

轴向转动）、肘部１个自由度（屈／伸）、腕部２个自由度（屈／伸、轴向转动）。

２设计方案

２．１外骨骼设计

可穿戴性是外骨骼系统的主要特点，即要求外骨骼体统能够自然地顺应穿戴者肢体的运动，实现与穿戴者肢体作为一个

到本次实验的人体模特肢体尺寸与标准５０百分位男性肢体尺寸的差值，决定采用外骨骼设计成基本尺寸在一定范围内可调的方案。５０百分位数的男性肢体尺寸。

上文我们设计的肩部３ＲＰＳ并联机构对外骨骼上臂部分长度有自适应调节作用，

气缸的初始长度、行程和缸径是气缸设计中的重要参数。气缸长度关系到与外骨骼的匹配性，行程关系到外骨骼关节的运动幅度，缸径则关系到气缸能产生的阻力大小。合理设计气缸参数对该健身器与人体肢体的耦合性、健身器的健身效果至关重要。但由于国内气动元件市场的气缸

主要是标准件，而定制件的价格偏高，因此

因此，在整个外骨骼系统尺寸设计中，设计

顺序应从上肢末端往里端。

考虑到外骨骼与肢体的耦合性要求，设

图１穿藏式上肢外骨骼健身器

计外骨骼运动副的运动幅度之前，我们需要先研究人体上肢关节自由度。我们选取９５百分位数男性测量值作为本次设计依据。

由于外骨骼部分零件将对肢

体造成一定程度不可避免的干涉，以及所采用的气缸均为标准

本次实验我们选择基本参数比较符合我们需要的微型气缸标准件。由于这个原因，该健身器的耦合性有所降低，这在上文外骨骼基本尺寸设计中的运动副运动幅度设计

中体现到。

３创新点及应用

３．１创新点分析

１）突破传统上肢健身器材利用重力或弹簧弹力等作为耗能原件的模式，运用气

体热力学原理，采用微型气缸作为耗能原件，具有阻力大小可调，器材轻便的优点，

件，使得外骨骼部分运动副运动

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幅度相比小于人体上肢关节运动角度。经过多次理论定位和人

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机实验，反复对数据进行修改，最终得出一组相对较理想的外骨骼运动副运动幅度数据。对比肢体运动幅度分析外骨骼人机耦

合性。

２）采用柔性外骨骼技术设计机构，在多个自由度上提供运动阻力，具有集多方位

锻炼于一身，比体积小的优点，

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２．２阻力装置设计

气缸作为阻力装置的工作原理将在下文中做出解释。现在我

们先分析微型气缸与外骨骼的匹配性。微型气缸重力小，结构紧凑，能与外骨骼很好地进行装配。因此，该方案比较理想地解

３）附加功能：可更改成液力模式，大幅度提高健身强度３．２应用推广分析

该穿戴式上肢外骨骼健身器在结构设计和阻力装置设计方面，突破了健身器材领域一般的设计方案。以其具有机构紧凑、

重量轻、功能强大、性价比高等优点，将在

人体上肢运动关节解剖图及其关节简化模型（ａ）骨骼肌；（ｂ）骨骼；（Ｃ）多刚体模型

健身器材领域里面大展身手。其推广前景

可想而知。

科技创业家ＴＥＣＨＮＯＬＯＯＩＣＡＬ

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