下肢助行器结构设计及运动仿真

　　下肢助行器[1]既是康复辅具，也可以作为军事装备，既可以协助下肢行动不方便者完成基本行走或帮助其恢复下肢功能，也可帮助消防队员在消防救火中背负沉重的消防器材，帮助建筑工人搬运重物。例如美国研发的行走外骨骼装置“Spring walker”能够使佩戴者行走速度达4. 17 m/s，不论是在军用还是民用方面都有相当大的用途和前景。

　　目前国外所研究的助行器多为电机在关节处直接驱动，对电机的要求较高，价格昂贵，无法普及; 而国内在这方面的研究较少。文中提出了一种自给式下肢助行器的结构方案，采用电机带动丝杠螺母传动，将旋转运动转化为直线运动，降低了对电机的要求，在保证其行走功能的同时，简化了结构，降低了制造成本。

　　1 助行器结构设计

　　文中研究的下肢助行器是为帮助下肢瘫痪患者重新站立行走而设计的自给式助行器，因此要求助行器坚固、耐用、轻便、便于穿戴、能耗少，还要使助行器在佩戴行走过程中和使用者保持运动协调性[2]，以保证使用者的安全。综合考虑以上因素，设计的助行器主要包括腰部支撑、大腿支撑杆、小腿支撑杆、脚部支撑、驱动机构和紧固带，机械结构相对简单、易于制造。助行器单腿有3 个自由度，分别为髋关节、膝关节、踝关节在矢状面内的旋转自由度，且髋关节和膝关节处设有驱动装置，踝关节因其旋转幅度较小，所需力矩较小，故不加驱动。驱动方式选择电机带动丝杠螺母，用丝杠的直线位移模拟人体下肢骨骼肌的运动[3]，从而带动膝关节和髋关节实现屈伸运动。驱动部分设计如图1 所示。各旋转副都布置在与人体相对应的关节位置，以保证人机运动的协调性，其内部都装有轴承，以保证传动稳定，噪声小，满足运动中预定的位置要求及行走中的轨迹要求。

　　方案整体机构简图如图2 所示。助行器单腿自由度为:

　　式中: n——— 活动构件数;

　　p——— 低副数;

　　q——— 高副数。

　　其工作原理如下: 电机带动小齿轮转动，小齿轮带动齿轮型滚珠丝杠螺母的外齿轮转动，齿轮型滚珠丝杠螺母与丝杠啮合，带动丝杠直线运动，从而带动膝关节和髋关节在矢状面内的旋转运动。

　　图3 和图4 分别为膝关节和髋关节的屈伸极限位置[4] 图。膝关节屈极限为75°，髋关节屈极限为30°，伸极限为45°。根据关节活动范围进行关节处的机械限位设计。小腿和大腿中间的驱动连接处采用曲线连接，以减少在行走运动中的压应力。