摘要：近年来生活节奏越来越快，使其一部分人得不到充分的休息，虽然不时会有一些零零散散的时间可以休息，但是最终却由于时间短、空间有限而不了了之。本文所写的研究内容便是使用外骨骼技术帮助人体充分利用零散的时间、有限的空间来完成最大程度的休息，目的在于帮助人们减少由于生活节奏过快所带来的疲劳。本文具体阐述了以下内容；外骨骼座椅各个部分的机械结构设计、工作流程；控制程序的设计和控制芯片的选择。经过测试，该装置可有效的帮助人们休息，且制造成本低、携带方便、易操作、用途广泛。而且使用电机作为驱动，可以便于调整，更贴合于身体。
关键词：外骨骼座椅、单片机、伺服系统
0：引言
由于生活节奏加快，越来越多的人没有充分的时间休息，特别是一些工厂的流水线工人，需要长时间的站立来完成工作，然而我们虽然也有一些解决方案，但却升高了成本而且功能单一，不便于携带，不能随时利用起有限的时间和空间来好好休息。不能利用一定的空间来休息，这些情况同样体现在一些老年人身上，在一些老年人运动完以后，需要好好休息，可是并不是随时随地都有座椅……等等。该项目的研究意义就是要解决这类问题。
1：机械结构设计
图1 成品图
外骨骼座椅的设计主要分成机械机构设计和程序设计两个方向。为了方便制造，将结构设计分成两大部分，一部分为骨架机构，另一部分为驱动、传动机构。
1.1 骨架机构
外骨骼座椅整体贴合人们的腿部，运动按照人类的腿部运动方式进行辅助运动。其骨架采用较为坚固的型材加工而成，不仅仅可以辅助人类运动，还可以保护人类的腿部。在型材可以承受外力的范围内，骨架机构可以帮助人类抵挡由于一定外力对腿部造成的伤害。骨架采用双边结构，在坐下时能更好的托住人类的腿部，使其拥有更好的舒适度，在型材连接处，轴承保证了骨架的正常弯曲，在整个骨架上，加入了一定数量的横杠，保证整个骨架的稳定、坚固，分散受力，虽然导致整个产品重量有所上升，但是这也保证了产品的安全性，不容易损坏。
图2 外骨骼座椅骨架
1.2驱动、传动机构
外骨骼座椅分有驱动、传动两部分。
驱动分为左右两个，左右两边分别使用一个直线电机作为驱动，使用电能作为驱动能源，让产品更加容易补充能源，其次由于使用直线电机，所以也增大了产品的安全性，也可以通过程序使其电机做最适合人体运动，同时使用直线电机可以扩大产品的适应能力，直线电机拥有较好的防腐防潮的功能，即便是在潮湿的环境下也能工作。本产品由于使用直线电机，便于调整。
传动部分使用编码器来进行控制，一号编码器用于检测外骨骼运动幅度，而二号编码器需要分析来自一号编码器传送的数据，然后记录，在传导控制骨架运动，从而达到运动的一致。
2：控制芯片的选择
考虑到存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了Arduino控制板，所构成的单片机应用系统功能强，性价比高，安全满足控制功能的要求。外接水泵的控制器考虑到成本及实用性，选用单片机和继电器的组合。而点动型的无线接收模块和六键式的遥控器，则使产品的操作能够更加简单方便
图3 座椅控制程序
3：程序设计
Arduino作为一种被广泛被使用的单片机，其上手简单，因而以它为基础，对整个机器人的运动进行控制，Arduino是一个开源系统，适合大部分群体，使用Arduino系统能在制作者的程序上修改，使其达到更适合私人的使用。
程序通过控制伺服电机的运动和复位，来达到外骨骼的运动。
设置伺服电机驱动器为位置模式，然后让伺服电机检索、判断开关是否按下：如果开关按下，那么伺服电机会控制继电器断开断开电机电路，重新判断；反之，如果开关没有按下，则伺服电机继续控制继电器连接电路电机，然后使外骨骼座椅产生运动，通过编码器记录下座椅运动到的当前位置，最后使用编码器记录的当前位置与伺服电机位置是否一致：如果当前位置与伺服电机的当前一致，那程序则返回到上一层判断（判断开关是否按下）；反之，如果当前位置与伺服电机的位置不一致，那编码器会再次使电机驱动，座椅运动，继续调试位置，使其当前记录位置与伺服电机位置一致。
3.1 运动程序设计；
运动程序需要编码器的参与，需要记录座椅运动角度、位置，同时在比较之余校准座椅以达到产品的平稳运动。
3.2 座椅的静态设计；
座椅的静态设计，座椅静态是先使用编码器调整骨架位置，当到达合适位置上时，锁死直线电机 ，让座椅处于静止状态，使其能承受住人体的重量。（见图3）
4：材料的选用
外骨骼座椅采用轻型材料，使其产品整体比较比较轻盈。虽然采用轻型材料，但是并不影响产品本身的坚固。连接处采用轴承连接，可以使其受力较为平均。外骨骼外部采用脚架和一些活动件连接或固定，由于受力较为平衡，所以此设计不仅仅坚固，而且便于调整，可以进一步扩大使用人群。
外骨骼座椅型材，可安滑块，有利于拆装与改进。其中还用到了型号较大的光轴，光轴具有强度大，好加工安装的特点。外骨骼座椅还采用直线电机，使其产品电路减少，不至于错综复杂，而且由于直线电机具有锁死的功能，使其外骨骼座椅可承受的重量达到了一个比较高的数值。整个产品采用尼龙带固定与人体上，可调整大小。
5：结论
5.1 成品
经过长时间的设计与修改，制作出外骨骼座椅的基本模型。通过各项实验，证明我们所采用的理论与设计方案可运用，外骨骼座椅能适应人体运动，并在合适的时间里达到实际之出所设想的效果，能节省人们大量的精力。
5.2 机构设想
外骨骼技术在科学领域早就产生，使其运用到各个方面，医学、工业、教育等等，座椅使用外骨骼技术的效果也使其达到了比较好的水平，其他的编程，也需要外部外骨骼技术的支持。
总结；经过理论的计算和设计，制作了一个外骨骼座椅，通过试验证明，设计方案可行，外骨骼座椅能贴合人体腿部在范围内自由弯曲的功能。经过程序的控制，外骨骼座椅能按设计最初给人们提供安全并且便捷的休息地点。
论文作者:邓鑫华,储慎
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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