摘 要：本装置为基于并联机构的肩肘关节外骨骼，目标受众为因事故，疾病等无法通过自主意识控制上肢而肌肉萎缩的患者。使用者通过佩戴该装备带动其上肢随外骨骼一起运动，以锻炼使用者上肢肌肉。通过肌电信号放大电路获取使用者使用时所产生的肌电信号并以LED矩阵反应其强弱并决定康复动作的快慢。本产品具有相对于市面产品更便携、稳固的机构，简易的自定义模块与较长的续航时间等优点。
　　关键词：外骨骼；丝杠；并联机构
　　1 作品详细介绍
　　该基于并联机构的肩肘关节外骨骼的肩关节模块、肘关节模块、基座模块如图1～3所示。
　　（1）基座：与使用者贴合部分，肩关节的铰链基座控制电路与电源所在。具有弹性机构可调节贴合程度以符合不同身形，通过四个铰链所衍生的搭扣紧固。可搭载温湿度传感器与风扇调节温度以增加舒适度。
　　（2）肩关节：通过三根二阶丝杆，六组虎克铰链组成3-RPR的并联机构。
　　（3）肘关节：两组普通丝杆组成的一个转动副关节。
　　2 工作原理
　　图4所示为本系统的工作原理图。
　　2.1 肩关节
　　作为使用伸缩杆的并联机构，其工作空间受伸缩杆最短值与最长值之比影响。常规伸杆（电动丝杠，气/液压缸）往往只能达到0.5，加上不可忽略的机构长度（减速器、电机、铰链等）这一比值只会更大。研究表明，当此比值为0.33时最佳。由此便设计了此二阶丝杠，通过M18丝杠（右牙）的顺时转动带动内部M8丝杠（左牙）的相对逆时转动，使得两对丝杠能够一起伸缩。最终获得0.4的净短长比。系统工作原理如图4所示。右牙、左牙实物图如图5和图6所示。
　　2.2 肘关节
　　由两组常规丝杠组成的平行四边形机构通过丝杠的伸缩完成肘关节角度的变化。通过复数的相同低功率机构达到相对较大的行程、功率。肘关节实物图如图7所示。
　　2.3 控制电路
　　此控制电路主要通过多片Arduino单片机的通信（I2C协议）完成动作获知、向量运算、电机控制等操作。具体方法如下：
　　（1）动作获知：较常使用程序控制，将锻炼动作转换为上肢相对于躯干的角度参数，并通过蓝牙向主机发送此数据。
　　（2）自主控制：一般患者虽无法控制上肢，但仍能产生肌电信号，通过EMG贴片获得信号后转换成移动方向，以此向主机发送数据。
　　（3）向量运算：主机获得从机发送的数据（角度数据），转换成并联机构使用的数据，发送至电机驱动从机。（假设上臂夹具上一点距躯干肩关节转心距离不变，依据人体矢状面建立坐标系可得此点的模与方向余弦，借此可得在坐标系中的向量坐标。通过已知的机构长度参数 （上臂夹具中心距铰链距离），通过齐次坐标变换（上臂夹具中心的模，俯仰角可由方向余弦得知），获得伸缩杆长度（其向量的模）。
　　（4）电机控制：从机获得长度数据并根据其比值确定各个电机电压（控制速度），发送PWM波至电机驱动（L298N）。电机具有编码器，反馈至从机以监视速度与距离的控制。
　　3 作品创新点
　　（1）使用了并联机构，与传统外骨骼康复装置使用的串联机构相比具有更高的稳定性与牢固性。
　　（2）二阶丝杠与常规丝杠相比具有更小的短长比，提高了固定安装空间内的工作空间。
　　（3）可以通过加装不同数量的丝杠以改变装置的功率特性，满足从上肢康复到灾害救援的不同使用场合。基座，肩关节出的扩展接口并加装不同的模块（温湿度，PM2.5等）增强其自定义性。
　　4 市场前景
　　三组二阶丝杠组成的装置除具有基本的外骨骼功能（牵引肢体运动，功率较小但能够自锁）外，还可用于锻炼肌肉以避免病患的肌肉萎缩。如若自定义增加丝杠数量，便可增加本外骨骼的功率，以便于应用于更加苛刻的环境工作（探险赈灾，搜索救援，搬运重物等外骨骼传统工作）。