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)計學(xué)院,武漢 430068; 2. 湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,武漢 430068)

隨著我國現(xiàn)代機械與工業(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)過程已基本實現(xiàn)機械化和自動化[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,國內(nèi)外的相關(guān)研究機構(gòu)對腰部保護(hù)裝置進(jìn)行了專項研究,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)動器的區(qū)別,分為兩種類型:直流電機驅(qū)動的主動型助力和彈性材料省力的被動型助力[4]。Miura等[5]設(shè)計了一種通過電源驅(qū)動髖關(guān)節(jié)而減少力矩的HAL可穿戴機器人。Toxiri等[6]設(shè)計的H-WEX是一種電動式移動腰部外骨骼。在設(shè)計原則上,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。與被動外骨骼相比,主動助力外骨骼在重量上沒有優(yōu)勢,且結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,穿戴過于繁瑣,被動型外骨骼輕便、節(jié)約能源與成本,所以本文研究被動型助力外骨骼。

Imamura[7]開發(fā)的Smart Suit Lite是一種被動助力裝置,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外骨骼。Koopman[10]設(shè)計的被動外骨骼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%。,國內(nèi)的外骨骼機器人研究起步比國外晚,技術(shù)不如國外成熟,處在理論研究階段。李向攀等[4]研究柔性氣壓驅(qū)動為腰部運動提供所需的助力,減輕下腰痛。陳壽齊等[11]設(shè)計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)計了肘關(guān)節(jié)自鎖機構(gòu)的可穿戴外骨骼助力搬運機器人,為人體腰部提供助力。

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

國內(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)活動范圍只有屈曲/伸展這兩個自由度,針對上述問題,本文設(shè)計一種無源的、髖關(guān)節(jié)四自由度的、髖關(guān)節(jié)省力的外骨骼裝置,既可以幫助搬運人員在搬運活動中減少髖關(guān)節(jié)受力,保護(hù)腰部主要肌肉;又可以增加裝置使用時髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收活動范圍,從一維空間擴(kuò)展到二維空間,提高裝置使用時的舒適度。

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],建立人在搬運重物時的力學(xué)模型如圖1所示。其中,G1代表的是搬運的重物的重力,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 搬運重物時腰部力學(xué)模型

通過力學(xué)知識可知,人體在搬運重物時,O點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,人彎腰搬運重物時髖關(guān)節(jié)所受壓力F4的計算公式為

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

(2)

根據(jù)生物力學(xué)模型可知,在彎腰搬運重物時,要減少人彎腰搬運時腰部肌肉的損傷,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。搬運重物時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,為方案設(shè)計提供理論支撐。

2 外骨骼方案設(shè)計

通過對搬運重物時人體腰部進(jìn)行受力分析,對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。與主動外骨骼相比,被動外骨骼的優(yōu)點在于它利用機械結(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)計的外骨骼裝置采用無源的機械結(jié)構(gòu)。

2.1 省力結(jié)構(gòu)設(shè)計

當(dāng)人下蹲彎腰搬運重物時,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,上半身會對髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的壓力,長此以往便會對髖關(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,人向前彎曲的過程中,在胸部施加一個支撐上半身的力,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,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。在搬運重物時,人體先由直立狀態(tài)向前彎曲上半身,在這個過程中彈性桿和彈簧會受到變形從而產(chǎn)生彈性勢能。當(dāng)人體搬運重物上升的過程中,彈性桿和彈簧會釋放彎腰時儲存的彈性勢能,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)計方案時涉及到的彈性桿的寬度與長度都是可以根據(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

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個基本軸運動,基本的運動方向為: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)的運動范圍[16]。

表1 人體髖關(guān)節(jié)的運動范圍

現(xiàn)有的無源被動髖關(guān)節(jié)助力外骨骼的研究中,存在一個普遍的問題,即外骨骼裝置只保留髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展這一個自由度,而其他兩個自由度在外骨骼設(shè)計中因為機身重量和其他原因被限制了。通過對搬運工作者的走訪調(diào)研和自身的生活經(jīng)驗,彎腰搬運重物的過程中髖關(guān)節(jié)活動范圍對舒適度有很大的影響。人彎腰搬運重物時,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。

人機工程學(xué)中最重要的指標(biāo)是人與機之間的關(guān)系,對于穿戴產(chǎn)品來說,穿戴舒適性是評價外骨骼方案的重要指標(biāo)。在本文的外骨骼方案設(shè)計中,髖關(guān)節(jié)的設(shè)計為有屈曲/伸展、外展/內(nèi)收的四自由度,增加了髖關(guān)節(jié)的活動范圍,將人的活動范圍從一維度擴(kuò)展到二維空間?？紤]到利用傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)增加一個自由度會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)計時,采用傳統(tǒng)的機械結(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,對兩個髖關(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)活動范圍為屈曲/伸展和外展/內(nèi)收。髖關(guān)節(jié)向外展時彈性帶發(fā)生形變,產(chǎn)生并儲存彈性勢能,內(nèi)收時彈性帶釋放彈性勢能,能夠為髖關(guān)節(jié)省力。

圖3 髖關(guān)節(jié)設(shè)計方案模型

根據(jù)提出的設(shè)計方案,如圖4所示,建立髖關(guān)節(jié)設(shè)計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范圍。

圖4 模擬髖關(guān)節(jié)設(shè)計方案使用情況圖

2.3 整體方案設(shè)計

在無源腰部助力外骨骼方案中,如圖5所示,外形設(shè)計為類似衣服的樣式,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)計與之相同。胸部與腰部的連接處采用卡扣形式,穿脫操作簡單且固定效果良好。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重物時髖關(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)計依據(jù),彎腰最大搬運25 kg重物,以國際標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88的中國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。

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25 kg重物時髖關(guān)節(jié)所受最大力矩為113 Nm,可知單個髖關(guān)節(jié)所受最大力矩為56.5 Nm。根據(jù)《機械設(shè)計手冊》[18]中的計算圓柱螺旋扭轉(zhuǎn)彈簧公式,計算出彈簧的直徑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為扭簧對人體上半身產(chǎn)生的彈力。當(dāng)人體彎腰時,上半身旋轉(zhuǎn)α,上半身支撐彈性桿會接觸到扭簧,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,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度為40 cm,G1在O1點產(chǎn)生的力矩M1為7 308 N·mm,此時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,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)人在搬運重物時,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)行儲能。雖然彈性桿在儲能的過程中,會對人體產(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。而且這些阻力對人體產(chǎn)生的負(fù)面影響會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度不同、材料型號相同。

彈性桿的參數(shù)[19]為:

(5)

(6)

式中:y為搬運時胸部的位移;F為彈性桿產(chǎn)生的彈力;L為彈性桿的桿長;E為彈性桿材料的彈性模量;I為彈性桿的轉(zhuǎn)動慣量;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)合彈性桿實際工作情況,暫定圓管外徑D為10 mm,內(nèi)徑d為7 mm,搬運時胸部的位移y為6 cm。一側(cè)彈性桿的受力F為上半身重力與搬運重物重力之和的一半,即335 N。

根據(jù)公式計算出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%?；谘b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 動力學(xué)仿真分析

為了分析人體穿戴外骨骼搬運重物時,外骨骼裝置能夠為用戶省多大的力,利用ADAMS軟件對人體穿戴外骨骼前后的搬運狀況進(jìn)行動力學(xué)分析[20],分析髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的角度得到模擬搬運中髖關(guān)節(jié)所受的力矩。對比穿戴外骨骼前后的兩組髖關(guān)節(jié)所受最大力矩,計算出外骨骼裝置的省力數(shù)據(jù)。

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88的中國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,為了簡化動力學(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)動副,不考慮踝關(guān)節(jié)的受力及運動情況。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。在仿真彎腰動作過程與實際彎腰動作過程中,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)人體模型彎腰姿勢達(dá)到極限時,開始搬運重物,采用STEP函數(shù)來實現(xiàn)力矩的變化規(guī)律[20]。

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

圖8 穿戴外骨骼前后動力學(xué)仿真對比

仿真模擬的動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,運動過程中只有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,通過對人體彎腰搬運重物的過程進(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,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,按照文中對彈性桿與彈簧計算的結(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)置運動副,模擬出搬運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,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

為了檢驗彈性桿的強度,對所選的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,彈性桿才滿足強度要求,不會在工作時折斷。對比表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度要求。

表3 3種材料的彈性桿參數(shù)

通過計算材料省力程度與動力學(xué)仿真分析,證實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25 kg重物省力63%。

3.3 外骨骼裝置省力分析

通過計算,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25 kg重物省力63%。而搬運人員的重物不是恒定的,所以需要考慮所選材料對不同質(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)搬運人員的任務(wù)與工作習(xí)慣,確定搬運任務(wù)的最小質(zhì)量為5 kg,研究在搬運5～25 kg重物時裝置的省力情況。為了更準(zhǔn)確的得到范圍重量內(nèi)的省力程度,也需計算中間質(zhì)量15 kg重物時的省力數(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5 kg和15 kg的重物時,單根彈性桿工作彈性變形產(chǎn)生的位移,如圖12所示。

圖12 彈性桿工作時形變位移圖

由圖12可得出人在搬運5 kg和15 kg的重物時,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5 kg的重物時,彈性桿的省力程度為51.5%;在搬運15 kg的重物時,彈性桿的省力程度為52.8%。

為了進(jìn)一步探究搬運人員在搬運5 kg和15 kg重物時,穿戴外骨骼后的省力程度,對人體穿戴外骨骼前后的搬運狀況進(jìn)行動力學(xué)分析。對比穿戴外骨骼前后的兩組髖關(guān)節(jié)所受最大力矩,計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5 kg和15 kg重物的動力學(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5 kg的重物時,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15 kg重物時,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。

通過計算得知,人在搬運5 kg和15 kg的重物時,穿戴外骨骼后髖關(guān)節(jié)所受力矩較不穿外骨骼時分別減少了約63%和62.8%。前文計算出搬運25 kg重物時,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5～25 kg的重物時,髖關(guān)節(jié)所受力矩減少約63%。所以本文設(shè)計的外骨骼省力裝置的省力程度為搬運5～25 kg重物,髖關(guān)節(jié)約省力63%。

3.4 人機工程舒適度分析

為了驗證本文提出的無腰腰部助力外骨骼的髖關(guān)節(jié)設(shè)計的舒適性,選擇CATIA軟件中的人機工程學(xué)設(shè)計與研究模塊對人體彎腰搬運重物的姿勢進(jìn)行仿真分析[21]。在CATIA軟件中,以H點(髖關(guān)節(jié)所在點)為基準(zhǔn)點,導(dǎo)入一個百分位50的中國男性模型。在人體模型構(gòu)造中編輯人體模型的各個關(guān)節(jié)的姿態(tài),得到一個姿勢為彎腰蹲下搬運重物且髖關(guān)節(jié)無外展的人體模型,在模型姿勢分析板塊中對模型的姿勢進(jìn)行舒適性分析。

在進(jìn)行姿勢評估之前,先確定人體模型的各個部位的關(guān)節(jié)的自由度,然后對不同的自由度劃分角度值和舒適度值。在姿勢評估期間,CATIA軟件的姿勢分析模塊將依據(jù)當(dāng)前姿勢下每個部位的角度和分值進(jìn)行計算,最后得到每個姿勢的舒適度評價分?jǐn)?shù)[22]。

考慮到搬運中人體上半身的活動范圍,如圖15所示,除了分析向前彎姿勢外,還分析上半身向左前彎與右前彎的情況,通過分析確定評估姿勢為以下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中分析這些姿勢舒適程度,主要對比髖關(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

根據(jù)所學(xué)的人機工程學(xué)知識,對人體模型的髖關(guān)節(jié)DOF2自由度進(jìn)行活動范圍劃分,對比搬運過程中髖關(guān)節(jié)有無外展角度時的舒適度。表4列出了6種不同姿勢下髖關(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,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 不同姿勢下二、四自由度的舒適度分?jǐn)?shù)

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

4 結(jié)論

設(shè)計了一種無源髖關(guān)節(jié)助力外骨骼,該外骨骼無需電池利用自身機械結(jié)構(gòu)省力,輕便節(jié)能,且髖關(guān)節(jié)有4個自由度,能夠滿足用戶較高的穿戴舒適性需求。本文首先對搬運中腰部進(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)計為彈性帶,增加裝置使用時髖關(guān)節(jié)的外展/內(nèi)收活動范圍,將活動空間從一維度擴(kuò)展到了二維度。再進(jìn)行外骨骼省力結(jié)構(gòu)的設(shè)計和材料的選取,動力學(xué)仿真與靜力學(xué)仿真數(shù)據(jù)證實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25 kg重物省力63%,且在搬運5～25 kg范圍內(nèi)的重物時,省力程度均在63%左右。接著進(jìn)行CATIA人機工學(xué)分析髖關(guān)節(jié)四自由度、二自由度搬運姿勢時人體的舒適度,驗證髖關(guān)節(jié)四自由度時裝置的舒適度更高。本文設(shè)計并證實了一個有效的符合人機工程學(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)在于制作樣機并進(jìn)一步研究驗證可行性。