一種無源髖關(guān)節(jié)助力外骨骼設(shè)計(jì)與人機(jī)工程研究

王藝瀾,涂細(xì)凱*,,,徐一鳴,秦榕

(1. 湖北工業(yè)大學(xué) 工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院,武漢 430068; 2. 湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,武漢 430068)

隨著我國(guó)現(xiàn)代機(jī)械與工業(yè)技術(shù)的迅速進(jìn)步和發(fā)展,大多數(shù)行業(yè)的生產(chǎn)過程已基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化[1]。但是,人員徒手搬舉在多數(shù)服務(wù)領(lǐng)域和制造業(yè)中依舊很普遍。 與徒手搬舉有關(guān)的肌肉骨骼疾病,尤其是下背痛(LBP)的發(fā)病率逐漸增加,引起了大部分企業(yè)和國(guó)內(nèi)職業(yè)健康領(lǐng)域的關(guān)注[1-3]。

為了避免職業(yè)性的下背痛疾病,國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)對(duì)腰部保護(hù)裝置進(jìn)行了專項(xiàng)研究,并開發(fā)了各種可穿戴的腰部保護(hù)裝置。這些設(shè)備主要對(duì)髖關(guān)節(jié)或脊柱關(guān)節(jié)進(jìn)行助力,以此來保護(hù)腰部主要肌肉。根據(jù)采用的驅(qū)動(dòng)器的區(qū)別,分為兩種類型:直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)型助力和彈性材料省力的被動(dòng)型助力[4]。Miura等[5]設(shè)計(jì)了一種通過電源驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)而減少力矩的HAL可穿戴機(jī)器人。Toxiri等[6]設(shè)計(jì)的H-WEX是一種電動(dòng)式移動(dòng)腰部外骨骼。在設(shè)計(jì)原則上,穿戴式外骨骼助力裝置應(yīng)盡可能輕巧,易于佩戴和使用,節(jié)約能源并易于控制。與被動(dòng)外骨骼相比,主動(dòng)助力外骨骼在重量上沒有優(yōu)勢(shì),且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,穿戴過于繁瑣,被動(dòng)型外骨骼輕便、節(jié)約能源與成本,所以本文研究被動(dòng)型助力外骨骼。

Imamura[7]開發(fā)的Smart Suit Lite是一種被動(dòng)助力裝置,它利用彈性帶的彈力來消除身體上的負(fù)荷并減輕疲勞。Zhang等[8]提出了一種采用外部輔助推拉方法的被動(dòng)脊柱外骨骼,大幅度減少腰部區(qū)域的力和扭矩。N?f等[9]提出通過在軀干、骨盆和大腿上施加力來減少背部受力的被動(dòng)外骨骼。Koopman[10]設(shè)計(jì)的被動(dòng)外骨骼Laevo,利用杠桿的工作原理將人的腰部力量傳遞回大腿, 每次彎曲都可以使腰部力量減小30%到40%。,國(guó)內(nèi)的外骨骼機(jī)器人研究起步比國(guó)外晚,技術(shù)不如國(guó)外成熟,處在理論研究階段。李向攀等[4]研究柔性氣壓驅(qū)動(dòng)為腰部運(yùn)動(dòng)提供所需的助力,減輕下腰痛。陳壽齊等[11]設(shè)計(jì)了一款單兵腰部助力裝置,用來減少火炮裝填手的腰部傷害。高坤等[12]設(shè)計(jì)了肘關(guān)節(jié)自鎖機(jī)構(gòu)的可穿戴外骨骼助力搬運(yùn)機(jī)器人,為人體腰部提供助力。

對(duì)于與用戶緊密接觸的可穿戴式外骨骼助力型機(jī)器人來說,設(shè)備的輕便性、可靠性和舒適性會(huì)直接影響用戶對(duì)設(shè)備性能的評(píng)價(jià)。裝置的輕便性、可靠性和舒適性是評(píng)估優(yōu)質(zhì)可穿戴設(shè)備的重要指標(biāo)[13]。

國(guó)內(nèi)外的研究文獻(xiàn)表明,大多數(shù)學(xué)者研究的外骨骼只強(qiáng)調(diào)裝置省力而忽視裝置舒適度。大多數(shù)無源髖關(guān)節(jié)助力外骨骼髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍只有屈曲/伸展這兩個(gè)自由度,針對(duì)上述問題,本文設(shè)計(jì)一種無源的、髖關(guān)節(jié)四自由度的、髖關(guān)節(jié)省力的外骨骼裝置,既可以幫助搬運(yùn)人員在搬運(yùn)活動(dòng)中減少髖關(guān)節(jié)受力,保護(hù)腰部主要肌肉;又可以增加裝置使用時(shí)髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收活動(dòng)范圍,從一維空間擴(kuò)展到二維空間,提高裝置使用時(shí)的舒適度。

1 腰部生物力學(xué)分析

人向前彎腰搬重物,分析腰部受力情況。根據(jù)生物力學(xué)原理[14],建立人在搬運(yùn)重物時(shí)的力學(xué)模型如圖1所示。其中,G1代表的是搬運(yùn)的重物的重力,G2代表人上半身的重力,Fe、Fa分別代表人胸部、背部的肌肉產(chǎn)生的肌力,F1為人體下半身對(duì)腰椎的支持力,F2代表脊柱產(chǎn)生的拉力,F3代表腹腔內(nèi)產(chǎn)生的壓力,F4代表髖關(guān)節(jié)所受壓力。

圖1 搬運(yùn)重物時(shí)腰部力學(xué)模型

通過力學(xué)知識(shí)可知,人體在搬運(yùn)重物時(shí),O點(diǎn)所受的力矩之和為零,即

G1L1+G2L2+F4L5-F3L3-F2L4=0

(1)

在不穿戴助力外骨骼裝置時(shí),人彎腰搬運(yùn)重物時(shí)髖關(guān)節(jié)所受壓力F4的計(jì)算公式為

F4=(F3L3+F2L4-G1L1-G2L2)/L5

(2)

根據(jù)生物力學(xué)模型可知,在彎腰搬運(yùn)重物時(shí),要減少人彎腰搬運(yùn)時(shí)腰部肌肉的損傷,就是要減少髖關(guān)節(jié)所受壓力F4,這也是本文的研究重點(diǎn)。搬運(yùn)重物時(shí)人體腰部的生物力學(xué)原理,指導(dǎo)接下來外骨骼方案的設(shè)計(jì),為方案設(shè)計(jì)提供理論支撐。

2 外骨骼方案設(shè)計(jì)

通過對(duì)搬運(yùn)重物時(shí)人體腰部進(jìn)行受力分析,對(duì)腰部肌肉受力有了進(jìn)一步了解,得知減少髖關(guān)節(jié)所受力矩就能減少腰部肌肉受力,從而保護(hù)腰部肌肉。與主動(dòng)外骨骼相比,被動(dòng)外骨骼的優(yōu)點(diǎn)在于它利用機(jī)械結(jié)構(gòu)省力,穿在用戶的身上提供保護(hù)和身體支撐等功能。省去了電機(jī)等的質(zhì)量,裝置整體質(zhì)量輕于有源外骨骼,所以本文設(shè)計(jì)的外骨骼裝置采用無源的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

2.1 省力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)人下蹲彎腰搬運(yùn)重物時(shí),人的上半身向前傾斜并且處于半蹲的姿態(tài)。在搬起重物的過程中,上半身會(huì)對(duì)髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的壓力,長(zhǎng)此以往便會(huì)對(duì)髖關(guān)節(jié)附近以及腰背部肌肉造成損害。結(jié)合所學(xué)的物理力學(xué)知識(shí),人向前彎曲的過程中,在胸部施加一個(gè)支撐上半身的力,這樣就能減少髖關(guān)節(jié)所受的壓力,達(dá)到省力的效果。

圖2為外骨骼省力原理示意圖,以髖關(guān)節(jié)處為支點(diǎn),在胸部與髖關(guān)節(jié)、腿部與髖關(guān)節(jié)各連接一根彈性材料的連接桿,并在髖關(guān)節(jié)處用彈簧將上下兩根彈性桿連接。在搬運(yùn)重物時(shí),人體先由直立狀態(tài)向前彎曲上半身,在這個(gè)過程中彈性桿和彈簧會(huì)受到變形從而產(chǎn)生彈性勢(shì)能。當(dāng)人體搬運(yùn)重物上升的過程中,彈性桿和彈簧會(huì)釋放彎腰時(shí)儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能,幫助人體搬起重物,從而達(dá)到省力的目的。

圖2 外骨骼省力原理圖

為了適應(yīng)使用人群的多樣性,在設(shè)計(jì)方案時(shí)涉及到的彈性桿的寬度與長(zhǎng)度都是可以根據(jù)自身身材調(diào)節(jié)的,這樣就可以避免穿戴不適合導(dǎo)致的功能缺失及不適感。

2.2 髖關(guān)節(jié)方案設(shè)計(jì)

髖關(guān)節(jié)[15]是人下肢重要的關(guān)節(jié)系統(tǒng),結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。一方面,髖關(guān)節(jié)是全身受力最大的關(guān)節(jié),連接軀干和下肢;另一方面,髖關(guān)節(jié)是人體最穩(wěn)定、活動(dòng)性最大的關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)可圍繞矢狀面、冠狀面和水平面的3個(gè)基本軸運(yùn)動(dòng),基本的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)?屈曲/伸展、外展/內(nèi)收、內(nèi)旋/外旋,表1中列舉了人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍[16]。

表1 人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍

現(xiàn)有的無源被動(dòng)髖關(guān)節(jié)助力外骨骼的研究中,存在一個(gè)普遍的問題,即外骨骼裝置只保留髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展這一個(gè)自由度,而其他兩個(gè)自由度在外骨骼設(shè)計(jì)中因?yàn)闄C(jī)身重量和其他原因被限制了。通過對(duì)搬運(yùn)工作者的走訪調(diào)研和自身的生活經(jīng)驗(yàn),彎腰搬運(yùn)重物的過程中髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍對(duì)舒適度有很大的影響。人彎腰搬運(yùn)重物時(shí),髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收和屈曲/伸展的四自由度比只有屈曲/伸展的二自由度的舒適程度高。

人機(jī)工程學(xué)中最重要的指標(biāo)是人與機(jī)之間的關(guān)系,對(duì)于穿戴產(chǎn)品來說,穿戴舒適性是評(píng)價(jià)外骨骼方案的重要指標(biāo)。在本文的外骨骼方案設(shè)計(jì)中,髖關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)為有屈曲/伸展、外展/內(nèi)收的四自由度,增加了髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍,將人的活動(dòng)范圍從一維度擴(kuò)展到二維空間?？紤]到利用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)增加一個(gè)自由度會(huì)使裝置的總體重量增加,裝置的重量在裝置舒適度中也有一定影響。所以在髖關(guān)節(jié)方案設(shè)計(jì)時(shí),采用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)-鉸鏈來屈曲/伸展這一自由度,在鉸鏈處放置扭轉(zhuǎn)彈簧來達(dá)到裝置的省力效果。如圖3所示,對(duì)兩個(gè)髖關(guān)節(jié)之間的連接,采用可以發(fā)生彈性形變的彈性帶,使髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍為屈曲/伸展和外展/內(nèi)收。髖關(guān)節(jié)向外展時(shí)彈性帶發(fā)生形變,產(chǎn)生并儲(chǔ)存彈性勢(shì)能,內(nèi)收時(shí)彈性帶釋放彈性勢(shì)能,能夠?yàn)轶y關(guān)節(jié)省力。

圖3 髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案模型

根據(jù)提出的設(shè)計(jì)方案,如圖4所示,建立髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案的使用情況模擬圖,髖關(guān)節(jié)能夠達(dá)到屈曲/伸展、外展/內(nèi)收的四自由度的活動(dòng)范圍。

圖4 模擬髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)方案使用情況圖

2.3 整體方案設(shè)計(jì)

在無源腰部助力外骨骼方案中,如圖5所示,外形設(shè)計(jì)為類似衣服的樣式,采用“開衫”形式的穿戴方式,在方便穿脫的基礎(chǔ)上,增進(jìn)外骨骼對(duì)人的親切感,讓使用者在心理上更能接受穿戴本助力外骨骼工作。

圖5 外骨骼整體方案模型

后背的背帶與腰部的固定帶都能調(diào)節(jié)尺寸,可以滿足不同身材人群的使用。胸部支撐處為省力結(jié)構(gòu)的一部分,需要承受一定的力,胸部支撐的材料選擇硬性材料。為了增加穿戴者的舒適感,在與胸部接觸的部位、硬性材料后設(shè)計(jì)一塊軟墊,這樣既能滿足功能需求又能保證外骨骼的舒適性,腿部支撐的設(shè)計(jì)與之相同。胸部與腰部的連接處采用卡扣形式,穿脫操作簡(jiǎn)單且固定效果良好。上半身與腿部的彈性桿可以調(diào)節(jié)長(zhǎng)短,滿足多使用人群的需求,上半身的彈性桿還能夠調(diào)節(jié)左右與胳膊的距離,能夠避免穿戴時(shí)尺寸不合身而降低裝置的舒適度與有效性。

2.4 材料選擇與計(jì)算

此次提出的無源腰部助力外骨骼方案中,省力系數(shù)的關(guān)鍵在于彈簧與彈性桿的選材。該裝置主要是幫助物流人員日常彎腰搬運(yùn)重物時(shí)髖關(guān)節(jié)省力,因此以年齡25～45歲、身高170 cm、體重70 kg的男性數(shù)據(jù)為設(shè)計(jì)依據(jù),彎腰最大搬運(yùn)25 kg重物,以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88的中國(guó)成年人體尺寸確定的百分位90的數(shù)據(jù)[17]為參考,完成設(shè)計(jì)。

2.4.1 彈簧

結(jié)合外骨骼方案中省力結(jié)構(gòu)的省力方式,彈簧選取為圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧。在ADAMS仿真軟件中得到身高170 cm、體重70 kg的男性在彎腰搬運(yùn)25 kg重物時(shí)髖關(guān)節(jié)所受最大力矩為113 Nm,可知單個(gè)髖關(guān)節(jié)所受最大力矩為56.5 Nm。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》[18]中的計(jì)算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧公式,計(jì)算出彈簧的直徑d和有效圈數(shù)n,即:

(3)

(4)

根據(jù)不同材料,計(jì)算出不同省力程度與尺寸的彈簧參數(shù),如表2所示?？紤]到加工與外骨骼裝置尺寸等實(shí)際情況,選擇直徑為4 mm,圈數(shù)為20的琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧,省力程度為10%。

表2 不同材料的圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧的參數(shù)

如圖6所示的彈性部件省力工作原理圖,G為人體上半身的重力,F7為扭簧對(duì)人體上半身產(chǎn)生的彈力。當(dāng)人體彎腰時(shí),上半身旋轉(zhuǎn)α,上半身支撐彈性桿會(huì)接觸到扭簧,扭簧開始發(fā)生彈性形變并且產(chǎn)生數(shù)值較小的彈力F7,此時(shí),人體上半身的重力G在彈力F7的方向上存在分力G1,G1>F7,所以人在剛穿戴外骨骼彎腰的過程中,可以依靠自身的重力輕松的將扭簧壓縮。本裝置中將α定為5°,人的質(zhì)量為70 kg(700 N),上半身的占身體總重量的60%,為420 N。而髖關(guān)節(jié)左右兩邊各有一個(gè)扭簧,因此G1為18.27 N。根據(jù)人體尺寸確定上半身彈性桿長(zhǎng)度為40 cm,G1在O1點(diǎn)產(chǎn)生的力矩M1為7 308 N·mm,此時(shí)M1遠(yuǎn)大于上文中已選扭簧的彈性系數(shù)305 N·mm,所以人在彎腰時(shí),只需要依靠自身的重力,不需要用額外的力去克服彈性部件產(chǎn)生的阻力。

圖6 彈性部件省力工作原理圖

當(dāng)人在搬運(yùn)重物時(shí),人體上半身的重力和重物的重力驅(qū)使彈性桿產(chǎn)生形變,進(jìn)行儲(chǔ)能。雖然彈性桿在儲(chǔ)能的過程中,會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生阻力,但是這些阻力相比于重物和人體上半身的重力而言,數(shù)值較小,不需要用額外的力去克服。而且這些阻力對(duì)人體產(chǎn)生的負(fù)面影響會(huì)被胸墊和腿墊所分散,提高使用的舒適度。

2.4.2 彈性桿

考慮到外骨骼助力方案的省力方式,彈性桿的計(jì)算以上半身受力情況、尺寸為例,上半身彈性桿與腿部彈性桿長(zhǎng)度不同、材料型號(hào)相同。

彈性桿的參數(shù)[19]為:

(5)

(6)

式中:y為搬運(yùn)時(shí)胸部的位移;F為彈性桿產(chǎn)生的彈力;L為彈性桿的桿長(zhǎng);E為彈性桿材料的彈性模量;I為彈性桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;D為空心圓管的外徑;d為空心圓管的內(nèi)徑。

考慮到外骨骼助力裝置的輕便程度,為了降低裝置的重量,初定彈性桿為空心圓管。結(jié)合彈性桿實(shí)際工作情況,暫定圓管外徑D為10 mm,內(nèi)徑d為7 mm,搬運(yùn)時(shí)胸部的位移y為6 cm。一側(cè)彈性桿的受力F為上半身重力與搬運(yùn)重物重力之和的一半,即335 N。

根據(jù)公式計(jì)算出3種不同材料的不同省力程度,確定彈簧為直徑為4 mm,圈數(shù)為20的琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧,省力程度為10%。彈性桿為圓管外徑D為10 mm,內(nèi)徑d為7 mm的軋制鋁,省力程度17.4%;圓管外徑D為10 mm,內(nèi)徑d為7 mm的T700碳纖維材料,省力程度53%;圓管外徑D為10 mm,內(nèi)徑d為7 mm的65Mn彈簧鋼,省力程度51.9%。基于裝置的結(jié)構(gòu)可知,裝置省力由彈簧與彈性桿共同工作,所以彈簧與彈性桿省力程度之和為裝置的省力程度。

現(xiàn)選出3種材料的3種不同省力程度,分別是直徑為4 mm,圈數(shù)為20的琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和圓管外徑D為10 mm、內(nèi)徑d為7 mm的軋制鋁,省力程度為27.4%;直徑為4 mm,圈數(shù)為20的琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和圓管外徑D為10 mm、內(nèi)徑d為7 mm的T700碳纖維材料,省力程度為63%;直徑為4 mm,圈數(shù)為20的琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和圓管外徑D為10 mm、內(nèi)徑d為7 mm的65Mn彈簧鋼,省力程度為61.9%。

3 外骨骼方案仿真分析

3.1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

為了分析人體穿戴外骨骼搬運(yùn)重物時(shí),外骨骼裝置能夠?yàn)橛脩羰《啻蟮牧?利用ADAMS軟件對(duì)人體穿戴外骨骼前后的搬運(yùn)狀況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析[20],分析髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度得到模擬搬運(yùn)中髖關(guān)節(jié)所受的力矩。對(duì)比穿戴外骨骼前后的兩組髖關(guān)節(jié)所受最大力矩,計(jì)算出外骨骼裝置的省力數(shù)據(jù)。

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88的中國(guó)成年人體尺寸確定的百分位90的數(shù)據(jù)[17]為參考,在ADAMS軟件中導(dǎo)入一個(gè)身高170 cm、體重70 kg的男性人體模型,具體的人體尺寸如圖7所示,為了簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)分析,將人體模型的腳與大地固定,在踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)連接處分別添加轉(zhuǎn)動(dòng)副,不考慮踝關(guān)節(jié)的受力及運(yùn)動(dòng)情況。其中,膝關(guān)節(jié)的扭矩由小腿產(chǎn)生,髖關(guān)節(jié)的扭矩由施加于軀干的大腿產(chǎn)生,肩關(guān)節(jié)的扭矩由大臂施加在軀干上產(chǎn)生。在仿真彎腰動(dòng)作過程與實(shí)際彎腰動(dòng)作過程中,各關(guān)節(jié)處力矩發(fā)生變化[20]。

圖7 人體模型尺寸圖

在ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真分析中,人體上半身的重力為體重的60%,因此在上半身重心處施加上半身重力420 N,在手腕處添加垂直向下的重物的重力250 N,當(dāng)人體模型彎腰姿勢(shì)達(dá)到極限時(shí),開始搬運(yùn)重物,采用STEP函數(shù)來實(shí)現(xiàn)力矩的變化規(guī)律[20]。

此次仿真主要是為了對(duì)比人體穿戴外骨骼前后搬運(yùn)重物時(shí),髖關(guān)節(jié)所受力矩的大小,因此仿真中對(duì)未穿戴外骨骼、穿戴外骨骼的人體模型分別進(jìn)行彎腰搬運(yùn)重物的仿真分析對(duì)比,如圖8所示。

圖8 穿戴外骨骼前后動(dòng)力學(xué)仿真對(duì)比

仿真模擬的動(dòng)作為人向前彎腰搬重物的過程,在ADAMS中將垂直于人體側(cè)面的軸設(shè)為X軸,運(yùn)動(dòng)過程中只有X軸有力矩變化,Y、Z軸沒有力矩變化,所以仿真得到的曲線圖中只得到X軸的曲線變化。在不穿戴外骨骼的情況下,通過對(duì)人體彎腰搬運(yùn)重物的過程進(jìn)行仿真,得到如圖9所示的髖關(guān)節(jié)所受的力矩變化曲線圖,由此可知,未穿戴外骨骼時(shí),髖關(guān)節(jié)所受的最大力矩為113 Nm。

圖9 未穿戴外骨骼髖關(guān)節(jié)所受力矩變化

再將外骨骼模型導(dǎo)入ADAMS并穿戴在人體上,按照文中對(duì)彈性桿與彈簧計(jì)算的結(jié)果,設(shè)置外骨骼模型的參數(shù),3種不同材料分別為琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和軋制鋁、琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和T700碳纖維材料、琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和65Mn彈簧鋼,并將外骨骼模型各關(guān)節(jié)處設(shè)置運(yùn)動(dòng)副,模擬出搬運(yùn)過程中外骨骼的工作狀態(tài)。通過仿真分析得到如圖10所示的穿戴3種不同材料外骨骼時(shí)髖關(guān)節(jié)所受的力矩變化曲線圖,在人穿戴3種不同材料外骨骼時(shí),髖關(guān)節(jié)所受的最大力矩分別為82 Nm、41.8 Nm、43 Nm。通過計(jì)算得知,穿戴3種不同材料的外骨骼后髖關(guān)節(jié)所受力矩較不穿外骨骼時(shí)分別減少了27.4%、63%、61.9%。

圖10 穿戴3種不同材料外骨骼后髖關(guān)節(jié)所受力矩變化

3.2 彈性桿靜力學(xué)仿真真分析

為了檢驗(yàn)彈性桿的強(qiáng)度,對(duì)所選的3種材料的彈性桿進(jìn)行靜力學(xué)分析。在SolidWorks軟件中建立彈性桿模型,將其導(dǎo)入ANSYS軟件中,設(shè)置彈性桿材料為軋制鋁,對(duì)彈性桿模型進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析,得到圖11所示的所受應(yīng)力分布圖,結(jié)果為軋制鋁的彈性桿所受的最大應(yīng)力為2 079.2 MPa。

圖11 軋制鋁彈性桿所受應(yīng)力分布圖

再將彈性桿材料分別設(shè)為T700碳纖維材料和65Mn彈簧鋼,表3列出各種彈性桿材料工作時(shí)的最大應(yīng)力。彈性桿的最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力,彈性桿才滿足強(qiáng)度要求,不會(huì)在工作時(shí)折斷。對(duì)比表3的3種材料的最大應(yīng)力和許用應(yīng)力,得出只有T700碳纖維材料的彈性桿符合強(qiáng)度要求。

表3 3種材料的彈性桿參數(shù)

通過計(jì)算材料省力程度與動(dòng)力學(xué)仿真分析,證實(shí)3種不同材料:琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和軋制鋁、琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和T700碳纖維材料、琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和65Mn彈簧鋼搬運(yùn)25 kg重物的省力程度分別為27.4%、63%、61.9%。結(jié)合彈性桿的靜力學(xué)分析結(jié)果,只有T700碳纖維材料的彈性桿符合強(qiáng)度要求,所以選擇琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和T700碳纖維材料為外骨骼省力材料,外骨骼助力裝置所選材料最優(yōu)結(jié)果為搬運(yùn)25 kg重物省力63%。

3.3 外骨骼裝置省力分析

通過計(jì)算,最終選擇琴鋼絲G2Ⅱ類彈簧和T700碳纖維材料為外骨骼裝置的省力材料,外骨骼助力裝置所選材料最大省力結(jié)果為搬運(yùn)25 kg重物省力63%。而搬運(yùn)人員的重物不是恒定的,所以需要考慮所選材料對(duì)不同質(zhì)量重物的省力程度,進(jìn)而得出外骨骼裝置的省力范圍。

根據(jù)搬運(yùn)人員的任務(wù)與工作習(xí)慣,確定搬運(yùn)任務(wù)的最小質(zhì)量為5 kg,研究在搬運(yùn)5～25 kg重物時(shí)裝置的省力情況。為了更準(zhǔn)確的得到范圍重量?jī)?nèi)的省力程度,也需計(jì)算中間質(zhì)量15 kg重物時(shí)的省力數(shù)據(jù)。

根據(jù)上文已經(jīng)確定的外骨骼裝置中彈性桿的材料與尺寸,現(xiàn)在將SolidWorks軟件中建立好的彈性桿模型導(dǎo)入ANSYS軟件中,設(shè)置彈性桿的材料為T700碳纖維。將彈性桿的一端設(shè)置固定約束,另一端分別施加搬運(yùn)的重物重力與上半身重力之和,即235 N和285 N,垂直于彈性桿方向的壓力,來模擬人在搬運(yùn)5 kg和15 kg的重物時(shí),單根彈性桿工作彈性變形產(chǎn)生的位移,如圖12所示。

圖12 彈性桿工作時(shí)形變位移圖

由圖12可得出人在搬運(yùn)5 kg和15 kg的重物時(shí),單根彈性桿產(chǎn)生的最大位移分別為41.198 mm和51.034 mm。由公式(5)和公式(6)可以計(jì)算出彈性桿所產(chǎn)生的彈力分別約為121.08 N和150.61 N。用彈性桿所產(chǎn)生的彈力除以彈性桿在工作時(shí)受到的壓力即可得出彈性桿的省力程度,最后得出人在搬運(yùn)5 kg的重物時(shí),彈性桿的省力程度為51.5%;在搬運(yùn)15 kg的重物時(shí),彈性桿的省力程度為52.8%。

為了進(jìn)一步探究搬運(yùn)人員在搬運(yùn)5 kg和15 kg重物時(shí),穿戴外骨骼后的省力程度,對(duì)人體穿戴外骨骼前后的搬運(yùn)狀況進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。對(duì)比穿戴外骨骼前后的兩組髖關(guān)節(jié)所受最大力矩,計(jì)算出外骨骼裝置的省力數(shù)據(jù)。

在ADAMS軟件中,利用前文中的人體模型進(jìn)行搬運(yùn)5 kg和15 kg重物的動(dòng)力學(xué)仿真,得到的仿真結(jié)果如圖13和圖14所示。

圖13 穿戴外骨骼前髖關(guān)節(jié)所受力矩變化

圖14 穿戴外骨骼后髖關(guān)節(jié)所受力矩變化

由圖13和圖14可以看出,在搬運(yùn)5 kg的重物時(shí),未穿戴外骨骼,髖關(guān)節(jié)所受的最大力矩約為65 Nm,而穿戴外骨骼后約為24 Nm。在搬運(yùn)15 kg重物時(shí),未穿戴外骨骼,人體髖關(guān)節(jié)所受的最大力矩約為88.5 Nm,穿戴外骨骼后,約為33 Nm。

通過計(jì)算得知,人在搬運(yùn)5 kg和15 kg的重物時(shí),穿戴外骨骼后髖關(guān)節(jié)所受力矩較不穿外骨骼時(shí)分別減少了約63%和62.8%。前文計(jì)算出搬運(yùn)25 kg重物時(shí),髖關(guān)節(jié)所受力矩減少了63%,由ADAMS仿真結(jié)果可以得出該外骨骼裝置在搬運(yùn)5～25 kg的重物時(shí),髖關(guān)節(jié)所受力矩減少約63%。所以本文設(shè)計(jì)的外骨骼省力裝置的省力程度為搬運(yùn)5～25 kg重物,髖關(guān)節(jié)約省力63%。

3.4 人機(jī)工程舒適度分析

為了驗(yàn)證本文提出的無腰腰部助力外骨骼的髖關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)的舒適性,選擇CATIA軟件中的人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)與研究模塊對(duì)人體彎腰搬運(yùn)重物的姿勢(shì)進(jìn)行仿真分析[21]。在CATIA軟件中,以H點(diǎn)(髖關(guān)節(jié)所在點(diǎn))為基準(zhǔn)點(diǎn),導(dǎo)入一個(gè)百分位50的中國(guó)男性模型。在人體模型構(gòu)造中編輯人體模型的各個(gè)關(guān)節(jié)的姿態(tài),得到一個(gè)姿勢(shì)為彎腰蹲下搬運(yùn)重物且髖關(guān)節(jié)無外展的人體模型,在模型姿勢(shì)分析板塊中對(duì)模型的姿勢(shì)進(jìn)行舒適性分析。

在進(jìn)行姿勢(shì)評(píng)估之前,先確定人體模型的各個(gè)部位的關(guān)節(jié)的自由度,然后對(duì)不同的自由度劃分角度值和舒適度值。在姿勢(shì)評(píng)估期間,CATIA軟件的姿勢(shì)分析模塊將依據(jù)當(dāng)前姿勢(shì)下每個(gè)部位的角度和分值進(jìn)行計(jì)算,最后得到每個(gè)姿勢(shì)的舒適度評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)[22]。

考慮到搬運(yùn)中人體上半身的活動(dòng)范圍,如圖15所示,除了分析向前彎姿勢(shì)外,還分析上半身向左前彎與右前彎的情況,通過分析確定評(píng)估姿勢(shì)為以下6種:向前彎曲髖關(guān)節(jié)二自由度、向前彎曲髖關(guān)節(jié)四自由度、向左前彎曲髖關(guān)節(jié)二自由度、向左前彎曲髖關(guān)節(jié)四自由度、向右前彎曲髖關(guān)節(jié)二自由度、向右前彎曲髖關(guān)節(jié)四自由度。在CATIA中分析這些姿勢(shì)舒適程度,主要對(duì)比髖關(guān)節(jié)二自由度、四自由度的舒適度。

圖15 進(jìn)行舒適度分析的6種姿勢(shì)

根據(jù)所學(xué)的人機(jī)工程學(xué)知識(shí),對(duì)人體模型的髖關(guān)節(jié)DOF2自由度進(jìn)行活動(dòng)范圍劃分,對(duì)比搬運(yùn)過程中髖關(guān)節(jié)有無外展角度時(shí)的舒適度。表4列出了6種不同姿勢(shì)下髖關(guān)節(jié)二、四自由度的舒適度分?jǐn)?shù)。其中,在人上半身向前、向左前、向右前時(shí),髖關(guān)節(jié)四自由度舒適度分?jǐn)?shù)高于二自由度舒適度分?jǐn)?shù)。

表4 不同姿勢(shì)下二、四自由度的舒適度分?jǐn)?shù)

通過CATIA的人機(jī)工程學(xué)仿真分析,可以證明在彎腰搬運(yùn)重物時(shí),搬運(yùn)姿勢(shì)為髖關(guān)節(jié)四自由度時(shí),能夠讓人更舒適,所以在外骨骼方案設(shè)計(jì)中,增加髖關(guān)節(jié)外展/內(nèi)收的自由度,使髖關(guān)節(jié)四自由度時(shí)可以有效提升人穿戴裝置的舒適性。

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種無源髖關(guān)節(jié)助力外骨骼,該外骨骼無需電池利用自身機(jī)械結(jié)構(gòu)省力,輕便節(jié)能,且髖關(guān)節(jié)有4個(gè)自由度,能夠滿足用戶較高的穿戴舒適性需求。本文首先對(duì)搬運(yùn)中腰部進(jìn)行生物力學(xué)分析,確定腰部肌肉的受力原理,提出外骨骼助力方案。在髖關(guān)節(jié)連接處材料設(shè)計(jì)為彈性帶,增加裝置使用時(shí)髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收活動(dòng)范圍,將活動(dòng)空間從一維度擴(kuò)展到了二維度。再進(jìn)行外骨骼省力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和材料的選取,動(dòng)力學(xué)仿真與靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)證實(shí)了外骨骼助力方案的可行性,所選材料最優(yōu)結(jié)果為搬運(yùn)25 kg重物省力63%,且在搬運(yùn)5～25 kg范圍內(nèi)的重物時(shí),省力程度均在63%左右。接著進(jìn)行CATIA人機(jī)工學(xué)分析髖關(guān)節(jié)四自由度、二自由度搬運(yùn)姿勢(shì)時(shí)人體的舒適度,驗(yàn)證髖關(guān)節(jié)四自由度時(shí)裝置的舒適度更高。本文設(shè)計(jì)并證實(shí)了一個(gè)有效的符合人機(jī)工程學(xué)的無源髖關(guān)節(jié)助力外骨骼方案,下一步的研究任務(wù)在于制作樣機(jī)并進(jìn)一步研究驗(yàn)證可行性。