脊髓损伤是对脊髓的任一部分或椎管末端神经的损伤,常常导致患者身体受伤处以下部位的肌肉运动功能、外界环境感知以及其他日常行为出现障碍或是永久性丧失。据调查,我国目前超过200万脊髓损伤患者亟待救治,因道路交通事故,摔倒和暴力等原因造成的每年新增病例超过10万人。由于脊髓损伤的可修复性极低,患者常年缺乏活动能力,并且康复训练需要大量的医疗资源,对家庭造成沉重的负担,因此,协助甚至代替护理人员的移动辅助器械的开发,对实现脊髓损伤患者的康复训练具有重要意义。脊髓损伤造成的人体运动能力丧失分为两种情况:一种为四肢瘫痪,即患者四肢和躯干部分或全部丧失活动能力;另一种为截瘫,即患者仅丧失下肢活动能力,上肢运动能力得以保留。由于脊髓损伤难以治愈,且患者通过康复训练达到复健成功的比例较低,截瘫患者的重获行走能力非常难以实现,因此研制辅助患者行走及训练的辅助装置在医疗及康复领域倍受关注。自20世纪50年代第一台骨科矫形器问世以来,世界上许多研究机构致力于开发帮助脊髓损伤患者日常行动的行走辅助装置,并逐渐形成医疗辅助机器人领域的重要分支。轮椅作为辅助下肢运动能力损伤患者行动的工具,得到了广泛的应用。传统的轮椅折展机构是剪刀型。在过去的二十年里,一些新机构的引入使轮椅从最初仅提供移动功能的设计发展到可以实现丰富的多功能辅助,如升降轮椅,可折叠轮椅,基于行星齿轮系或履带机构的楼梯爬升轮椅等等。大量研究表明,直立式轮椅可以为患者的健康带来更多益处,例如改善血液循环及泌尿健康,增进肠道功能和提升骨骼密度等,另外,直立式轮椅还可以改善患者的整体生活质量并提高个人生活的独立性。随着自动化技术的日益发展,特别是机器人学在工程领域的大量应用,面向下肢功能障碍患者的行动辅助外骨骼机器人被提出并引领多年的研究热潮。从早期的军事领域的探索性研究到医学上的行走辅助设备研究,外骨骼机器人在机构设计驱动器及控制方法等方面取得了快速发展。然而,外骨骼机器人并没有在医疗康复训练领域得到充分发挥,主要原因是在患者康复训练过程中,外骨骼机器人无法实现自身的平衡,且对患者体力要求较高,由此带来的舒适性等体验效果不佳。本文基于上述问题,提出将轮椅及外骨骼机器人相结合,即在患者利用外骨骼机器人训练过程中,根据具体运动需求转换成轮椅,以适应训练的变化及提升使用舒适性。另一方面,对比传统轮椅机构,该设计极大提升了其对地形的适应能力。本文提出两种设计轮椅及外骨骼转换机构,对其构型进行对比选择及结构尺度优化,并且通过力学分析,分析和讨论了设计可行性及可靠性。本文的设计方案考虑到外骨骼轮椅对患者行走的辅助功能,设计约束是在运动的全过程中必须时刻支撑患者的重量,同时能够在轮椅模式和外骨骼模式之间实现顺畅的转换。本文的主要内容如下:首先,通过对人体下肢的自由度的分析,建立外骨骼轮椅系统的设计方案。人体的下肢大致上可包含7个自由度:脚踝3个自由度,膝关节1个自由度,髋关节3个自由度。由于外骨骼轮椅为患者提供的是前向行走辅助,为了简化结构,在分析模型中不考虑脚踝部位的翻转及摆动自由度和髋关节处的扭转及摆动自由度,即只讨论矢状面内人体的运动。其次,本文对两套设计方案的结构进行设计,第一种形式是在患者坐姿状态时大腿下侧安装一个直线电机,该电机在轮椅模式状态下处于末端位置。该系统可以标识为一个四杆系统,当座椅直立起来达到最终的垂直高度并由连杆机构锁死,同时后轮竖立时,该装置转变为外骨骼机构,患者可以在其辅助下行走。系统处于外骨骼状态时,机构的每一侧有三个自由度,分别位于踝关节,膝关节及髋关节,满足人体前进运动需求。第二种形式包含两个直线电机,分别在轮椅转台是大腿下侧交叉安装,且都处于行程末端位置。使用Kutzbach标准进行分析,该系统的自由度为负数,是一个具有装配约束的超静定系统。为了验证该设计是否满足辅助人体行动的目标,以及分析与第一种形式相比的优势,后文将进行进一步说明。随后,本文对电机的选取以及结构设计进行讨论。由于轮椅系统必须能够适应人类的体形,系统中必然存在一些几何约束,需要进行相应研究。通过计算人体运动过程中肢体长度的极差,可以确定直线电机的行程。在人体几何数据的采集方面存在两种选择:设计一种常规方案去适应任何人的体型,或是对单一个体进行测量,量身定制对应的辅助机械方案。第一个选项是研究应当瞄准的目标,它将使机构具有普适性,可以更容易地在生产链中大规模生产而在目前的研究阶段,本文首先以一个样本为参照,确保该轮椅外骨骼设计可以实行辅助人体行动及移动患者的作用。本文选取身高为1.85米,体重90公斤的患者身体样本数据,基于人体平均数据的参数值,可以设定人体宽度L（28）355mm,髋部与膝关节间距x_{A C}（28）525mm,膝部与脚踝的间距y_{A D}（28）455mm。通过计算运动过程中这些长度的极值之差可以得出直线电机的行程以及机构结构中关节位置的几何约束条件。在创建结构紧凑、质量轻便的系统时,必须兼顾系统的坚固性和稳定性。基于系统结构静力学分析,并校核所有结构梁的弯矩,本文验证了该设计具有支撑人体重量的能力。为使电机压力取最小值,外骨骼大腿杆和系统直线电机之间的角度必须尽可能小,且电机和座椅之间的关节的最佳位置位于髋关节的位置处。然而,该安装位置会造成外骨骼杆件的弯曲变形量过大,并不可行。为避免此类情况,需要校核所有结构梁的弯矩。从静态研究的结果来看,本文发现上述关节的最佳位置与膝盖的距离应该等于大腿杆长度除以2。与此同时,在使用直线电机时,需要校核其轴向力承载能力。如果轴向力太大,电机的轴会发生弯曲变形。根据材料力学的相关知识可得轴向力主要取决于系统所受的力和杆件的长度,也取决于所选材料的抗压强度R_{p c}和临界长细比_c?。另外在运动学分析方面,为了使轮椅-外骨骼装置在轮椅模式和外骨骼模式之间能够平滑变换,必须增加对运动参数的自由度进行约束。本文采用一个关于时间周期的五次函数作为单步运动的时间函数,确定出线性执行器的速度和线性加速度,并研究了上述参数对结构的连接位置变换过程的影响。基于这部分分析,在给定具有确定的行程、速度和加速度的某一直线电机时,可以得到确切的杆件连接和装配位置。同时,我们发现如果想要使线性电机1的最大速度尽可能小,就需要减小电机位移输出杆与轮椅的连接点与膝盖处的距离x_AB和电机转子端点与地面基座的连接点与脚部的距离x_EF的值。两者都对线性电机1的最大速度的值具有相应影响,但作用于运动过程的不同步骤当中。为选择合适的直线电机,需要确定电机的最大压力和最大功率。而在座椅和后轮竖立起来的过程中,也需要明确此时系统其他部分的运动情况。因此,本文对以上两点进行深入研究,由于电机压力在运动的开始阶段达到最大值,即静力学分析中计算所得的力。通过将线性电机的速度和压力的计算公式相乘,可以得到直线电机的功率,其大小仅取决于运动时间和患者的体重。此外,如果根据运动起始时的状态设计电机尺寸,那么在之后的运动过程中这一尺寸将需要被放大,本文设计了一种方法在运动的初始阶段辅助电机运作,并减少了直线电机力。通过计算系统在轮椅模式下的静力学分析,得到两种设计中两个电机分别受到的压力₁F和₂F。对比两个设计版本不难发现:在版本2中,电机的压力低于版本1中的压力。而对于电机的最大功率,x_AB的值则对电机1和2具有不同的影响。实际上,x_EF的值越大,直线电机1功率的最大值越大而电机2的功率最大值越小。当增大时,线性电机1的最大功率值减小而电机2的增大。因此为使电机功率取适当值,必须在不同的机构尺寸之间找到折中方案。最后,本文分析得到一种算法相结合的方法,可以根据结构类型和所选电机来设计关节的确切位置。通过该方法,可以根据诸多约束条件如直线电机的种类和机械特性、材料性能等来决定各结构的长度。此外,本文还提供了两个版本的设计方案,可以根据设备重量、产品价格、所选电机等进行选择。当然,任何设计方案在确定之后都必须经过仿真模拟,并在试制原型机后进行测试。本文的研究提供了若干有待进一步探索的课题:首先,如何在外骨骼轮椅模型中设计车轮结构。在动力学研究中,本文发现车轮的直径和质量的增大会对系统产生不利影响,且在转变为外骨骼机构时车轮的安放位置也是一个研究问题。在设计过程中,轮椅与外骨骼双模式的设计构想也为车轮的设计提出了多方面要求:一方面,车轮要能够实现轮椅模式下的运动功能;另一方面,又要考虑在外骨骼模式下行走的便利性,同时在二者相互转换的过程中要注意避免机构之间的相互干涉。此外,车轮的承重能力,车轮轴的使用寿命,结构的总重量乃至设备的美观程度都是在研究过程中需要考虑的问题。其次,在本文中,为简化系统结构移除了系统模型中每条腿上的3个自由度。与人体的生理结构相比,该模型易于设计和制造且更坚固耐用,但同时也意味着机构在外骨骼模式下的灵活性降低。对于脊髓损伤患者而言,使用简化的模型不利与相应关节机能的恢复,也给患者在使用时带来不便。通过进一步编程和设计位于脚踝、臀部和膝盖的各个旋转关节,可以帮助患者更好地利用外骨骼系统进行康复训练,推动外骨骼系统的发展和应用。最后,可以进一步探讨系统的自我平衡特性。由于脊髓损伤患者的行动功能缺失,患者在使用外骨骼模式辅助行走时难以时刻保持身体平衡,给患者和监护人员带来了极大的不便。本文认为可以通过调整整个系统的质心位置来控制自身的平衡,例如添加一个患者可以倚靠的外骨骼的扶手来提供外力辅助。事实上,人体保持身体平衡是一个动态的过程,人体接收外部环境变化信息来感知身体平衡状态,通过大脑控制身体肌肉做出补偿动作维持身体平衡。与这一过程相类比,未来可以通过添加传感器,利用位置传感器感知系统平衡状态,通过控制系统控制安装在关节处的伺服电机来辅助患者保持平衡。在将来的某一天,这种能够实现自我平衡的外骨骼机构不仅仅用于帮助脊髓损伤患者进行康复治疗,甚至有希望兼具代步功能,成为人们出行的新选择。该项目在这一研究方向无疑具有广阔的发展空间。