腱力寶

解超　張佳露　宋燁珉　朱伊苓

摘 要：本裝置為基于并聯機構的肩肘關節外骨骼，目標受眾為因事故，疾病等無法通過自主意識控制上肢而肌肉萎縮的患者。使用者通過佩戴該裝備帶動其上肢隨外骨骼一起運動，以鍛煉使用者上肢肌肉。通過肌電信號放大電路獲取使用者使用時所產生的肌電信號并以LED矩陣反應其強弱并決定康復動作的快慢。本產品具有相對于市面產品更便攜、穩固的機構，簡易的自定義模塊與較長的續航時間等優點。

關鍵詞：外骨骼；絲杠；并聯機構

1 作品詳細介紹

該基于并聯機構的肩肘關節外骨骼的肩關節模塊、肘關節模塊、基座模塊如圖1～3所示。

（1）基座：與使用者貼合部分，肩關節的鉸鏈基座控制電路與電源所在。具有彈性機構可調節貼合程度以符合不同身形，通過四個鉸鏈所衍生的搭扣緊固。可搭載溫濕度傳感器與風扇調節溫度以增加舒適度。

（2）肩關節：通過三根二階絲桿，六組虎克鉸鏈組成3-RPR的并聯機構。

（3）肘關節：兩組普通絲桿組成的一個轉動副關節。

2 工作原理

圖4所示為本系統的工作原理圖。

2.1 肩關節

作為使用伸縮桿的并聯機構，其工作空間受伸縮桿最短值與最長值之比影響。常規伸桿（電動絲杠，氣/液壓缸）往往只能達到0.5，加上不可忽略的機構長度（減速器、電機、鉸鏈等）這一比值只會更大。研究表明，當此比值為0.33時最佳。由此便設計了此二階絲杠，通過M18絲杠（右牙）的順時轉動帶動內部M8絲杠（左牙）的相對逆時轉動，使得兩對絲杠能夠一起伸縮。最終獲得0.4的凈短長比。系統工作原理如圖4所示。右牙、左牙實物圖如圖5和圖6所示。

2.2 肘關節

由兩組常規絲杠組成的平行四邊形機構通過絲杠的伸縮完成肘關節角度的變化。通過復數的相同低功率機構達到相對較大的行程、功率。肘關節實物圖如圖7所示。

2.3 控制電路

此控制電路主要通過多片Arduino單片機的通信（I2C協議）完成動作獲知、向量運算、電機控制等操作。具體方法如下：

（1）動作獲知：較常使用程序控制，將鍛煉動作轉換為上肢相對于軀干的角度參數，并通過藍牙向主機發送此數據。

（2）自主控制：一般患者雖無法控制上肢，但仍能產生肌電信號，通過EMG貼片獲得信號后轉換成移動方向，以此向主機發送數據。

（3）向量運算：主機獲得從機發送的數據（角度數據），轉換成并聯機構使用的數據，發送至電機驅動從機。（假設上臂夾具上一點距軀干肩關節轉心距離不變，依據人體矢狀面建立坐標系可得此點的模與方向余弦，借此可得在坐標系中的向量坐標。通過已知的機構長度參數 （上臂夾具中心距鉸鏈距離），通過齊次坐標變換（上臂夾具中心的模，俯仰角可由方向余弦得知），獲得伸縮桿長度（其向量的模）。

（4）電機控制：從機獲得長度數據并根據其比值確定各個電機電壓（控制速度），發送PWM波至電機驅動（L298N）。電機具有編碼器，反饋至從機以監視速度與距離的控制。

3 作品創新點

（1）使用了并聯機構，與傳統外骨骼康復裝置使用的串聯機構相比具有更高的穩定性與牢固性。

（2）二階絲杠與常規絲杠相比具有更小的短長比，提高了固定安裝空間內的工作空間。

（3）可以通過加裝不同數量的絲杠以改變裝置的功率特性，滿足從上肢康復到災害救援的不同使用場合。基座，肩關節出的擴展接口并加裝不同的模塊（溫濕度，PM2.5等）增強其自定義性。

4 市場前景

三組二階絲杠組成的裝置除具有基本的外骨骼功能（牽引肢體運動，功率較小但能夠自鎖）外，還可用于鍛煉肌肉以避免病患的肌肉萎縮。如若自定義增加絲杠數量，便可增加本外骨骼的功率，以便于應用于更加苛刻的環境工作（探險賑災，搜索救援，搬運重物等外骨骼傳統工作）。