搬運輔助外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計與實驗

曲希帥， 徐愛民， 屈盛官， 馬 濤， 趙 寧， 夏雨萌

(1.華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院， 廣東 廣州 510640； 2.內(nèi)蒙古第一機械集團有限公司 專用車輛和傳動系統(tǒng)智能 制造國家重點實驗室， 內(nèi)蒙古 包頭 014032； 3.中國兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所， 北京 100089)

引言

盡管目前在工業(yè)領(lǐng)域存在廣泛地使用機器人代替勞動力進行物料搬運的現(xiàn)象，但許多短途物料搬運任務(wù)仍由人工完成[1]，工人的主觀能動性能夠在部分任務(wù)中發(fā)揮不可替代的優(yōu)勢[2]。近年來，人們越來越關(guān)注和研究可穿戴機器人技術(shù)(包括外骨骼)來幫助工人無風(fēng)險地完成搬運任務(wù)[3]。外骨骼作為穿戴式裝備，結(jié)合了人工智能與機械，具有很好的人機交互性[4]。

外骨骼通常被分類為主動型和被動型。主動型通常借助驅(qū)動系統(tǒng)(電機/液壓系統(tǒng)/氣動系統(tǒng)等)以增強人的力量，降低人體自身的能量消耗。幾款國外知名的主動外骨骼，在技術(shù)上已實現(xiàn)突破：HULC助力外骨骼作為負重外骨骼的代表，穿戴者能以3.9 km/h的速度搬運90.718474 kg的重物行走[5]；XOS借助液壓驅(qū)動增強穿戴者的負重能力，同時具備行動的靈活性[6]；HAL系列外骨骼在輔助行走領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。但主動型外骨骼普遍尺寸較大且造價昂貴，都不適合工人使用。被動型外骨骼是借助彈性構(gòu)件在運動期間儲存和釋放能量來幫助穿戴者進行工作，國外多款被動外骨骼已被證明能夠顯著降低腰背部的肌肉活動。Happyback由玻璃纖維桿組成，專門設(shè)計用于靜態(tài)彎腰姿勢[7]；PLAD借助肩膀和膝蓋部位的6個彈性元件實現(xiàn)在多種彎腰搬運任務(wù)中對腰部肌肉的助力[8]。國內(nèi)針對外骨骼的研究起步較晚，但發(fā)展迅速：方郁[9]研發(fā)的外骨骼機器人借助直流電機驅(qū)動，具備6個方向的自由度，可協(xié)助不同身高的穿戴者實現(xiàn)基本運動；張佳帆[10]研發(fā)的氣動柔性上肢外骨骼由人工肌肉驅(qū)動，可增強穿戴者的上肢能力。

為了能有效降低工人在工作過程中腰背部肌肉損傷的風(fēng)險，開發(fā)出一款適用于國內(nèi)一線工人的助力裝備，本研究提出了一種輕量化、低成本的被動式搬運輔助外骨骼，借助彈性儲能元件實現(xiàn)對搬運動作的助力效果。

1 搬運過程運動學(xué)模型及受力分析

1.1 彎腰搬運過程運動模型

外骨骼機器人關(guān)節(jié)主要包括髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)[11]。運動形式及運動角度如表1所示。

人體運動本質(zhì)上是空間運動，解剖學(xué)定義了人體的3個基本運動平面：矢狀面、冠狀面、水平面，運動過程主要在矢狀面進行[12]。人體運動學(xué)模型依靠軀干、肢體的空間位置關(guān)系和角度變化信息建立[13]。借助Opensim軟件生成的矢狀面內(nèi)人體肌肉骨骼搬運模型,

表1 髖、膝關(guān)節(jié)運動形式及角度

圖1 矢狀面人體搬運模型

如圖1所示。

圖1中，A1～A13分別表示人體頭部、頸關(guān)節(jié)、左肩、右肩、左肘、右肘、左手掌、右手掌、髖關(guān)節(jié)、左膝、右膝、左踝、右踝。α表示各關(guān)節(jié)角度，則搬運過程站立(S1)、彎腰(S2)、蹲姿(S3)可用上述模型表示為[14]：

S1=[α6=180°]∧[α8=90°]∧

[α7=180°]∧[α9=90°]∧[α5=90°]

(1)

S2=[α6=180°]∧[α8=90°]∧[α7=180°]∧

[α9=90°]∧[0°≤α5≤90°]

(2)

S3=[0°≤α6≤60°]∧[0°≤α8≤60°]∧

[0°≤α7≤60°]∧[0°≤α9≤60°]∧

[0°≤α5≤90°]

(3)

其中,∧表示隨動距離。彎腰搬運過程中，外骨骼與腰部關(guān)節(jié)尺寸的偏差會影響整體的舒適度[15]。以圖1所示的腰椎L5節(jié)點作為直角坐標(biāo)系原點，整個腰椎關(guān)節(jié)的運動半徑可通過最小二乘法計算[16]:

(4)

分別針對參數(shù)A，B，C求偏導(dǎo)：

(5)

(6)

(7)

已知成年人髖關(guān)節(jié)的彎曲半徑尺寸范圍[17]，可以求解出旋轉(zhuǎn)中心的坐標(biāo)值(x0，y0)和旋轉(zhuǎn)半徑r，降低外骨骼設(shè)計的尺寸偏差。

1.2 彎腰搬運過程受力分析

為了實現(xiàn)外骨骼在搬運過程對人體的助力效果，對彎腰搬運動作進行受力分析，如圖2所示。

圖2 彎腰搬運過程受力分析

上身所有受力在點O處所產(chǎn)生的的合力矩為0，即:

Fn·L5+F1·L4-G1·L1-G2·L2-G3·L3=0

(8)

其中,F1為腰部豎脊肌所受的拉力，F(xiàn)n為腹部和髖關(guān)節(jié)的支撐力，G1為人體軀干和頭部的重量，G2為人體手臂和手掌的重量，G3為重物的重量。

由式(8)可求出腰部肌肉所受的拉力：

由式(9)可知，F(xiàn)1主要受自身體重和搬運重量的影響。當(dāng)搬運重量G3超出一定范圍時，腰部肌肉會有損傷的風(fēng)險。穿戴外骨骼后點O處的受力分析為：

G3·L3+MT=0

(10)

(11)

記助力比為K：

(12)

設(shè)體重為M，相關(guān)研究表明，M1=0.044M，M2=0.386M，M3=0.25M，支撐力Fn=0.12Mg[18]，L1～L5由圖2中的L和α表示，結(jié)合式(11)、式(12)可得：

(13)

研究表明，過大的助力比會導(dǎo)致人體肌肉肥大，造成副作用，而絕大多數(shù)外骨骼助力比都處于35%～50%之間[19]。本款搬運輔助外骨骼助力比K設(shè)置為40%，M取60 kg，L取0.6 m，α取25°，代入式(13)可得：

MT=60 N·m

(14)

2 搬運輔助外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

搬運輔助外骨骼作為工業(yè)裝備，為了能適應(yīng)不同的工業(yè)環(huán)境并有效地在搬運過程提供助力，需要滿足以下要求：

(1) 方便調(diào)節(jié)：不同穿戴者的尺寸存在很大的差異，外骨骼必須具有較廣的適用性，用于固定的部件應(yīng)該可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；

(2) 保證安全性和舒適度：作為穿戴式裝備，確保人機交互可靠、安全地進行，運動自由度做到合理的分配；

(3) 輕量化，易穿戴：在實現(xiàn)助力效果的同時，要盡可能輕量化，降低對人體的負載和慣性沖擊[20]。

搬運輔助外骨骼的總體機械設(shè)計使用SolidWorks

1.肩背固定板 2.背部支撐桿 3.髖部固定板 4.連接夾板 5.彈性蓄能模塊 6.腿部支撐圖3 外骨骼總體結(jié)構(gòu)

軟件作為三維作圖軟件，機械總體設(shè)計如圖3所示。

2.2 彈性蓄能模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

搬運輔助外骨骼對彎腰搬運過程的助力主要依靠彈性蓄能模塊實現(xiàn)，彈性蓄能模塊結(jié)構(gòu)剖視圖如圖4所示。

1.凸輪 2.第一滾針軸承 3.限位件 4.第二滾針軸承 5.小軸 6.滑動套 7.彈簧 8.殼體 9.套筒圖4 彈性蓄能模塊剖視圖

在穿戴者彎腰時，凸輪在背部連接桿的帶動下轉(zhuǎn)動，從而推動滑動套向下移動，壓縮彈簧使其蓄能，將彎腰過程的上身重力勢能轉(zhuǎn)化為彈簧的彈性勢能；當(dāng)穿戴者恢復(fù)直立時，彈簧對背部連接桿給予支撐，從而為穿戴者提供輔助力矩MT，達到搬運助力效果。

2.3 凸輪與彈簧參數(shù)設(shè)計

由式(14)得MT最大值取60 N·m，根據(jù)圖4彈性蓄能模塊助力原理可知：

MT=k×ΔL×e

(15)

其中k為彈簧的剛度，e為凸輪機構(gòu)的偏心距，ΔL為凸輪的最長行程。為了精簡部件尺寸，取偏心距e=21 mm，ΔL=18 mm。

由式(14)、式(15)可得k=80 N/mm?？紤]實際要求，采用Ⅰ類60Si2Mn彈簧。彈簧最大壓縮變形量和彈簧剛度計算公式如下所示：

(16)

(17)

(18)

由式(16)～式(18)確定彈簧的計算邊長a、邊長b、中徑D和彈簧有效圈數(shù)n，其中τ為切應(yīng)力;τp為許用切應(yīng)力;β，γ為彈簧系數(shù);Pn為最大工作載荷;G為切變模量。

2.4 關(guān)鍵零部件力學(xué)仿真

彎腰過程中，圖3中連接夾板4連接卡扣，將彎腰過程的轉(zhuǎn)矩傳遞給圖4中凸輪1，帶動凸輪1旋轉(zhuǎn)壓縮彈簧7。為確保外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和安全性，對連接夾板4進行有限元分析。

由式(14)可知單邊零件上的轉(zhuǎn)矩大小為30 N·m。對結(jié)構(gòu)進行約束和施加載荷，進行網(wǎng)格劃分之后得到如圖5所示的分析結(jié)果。由圖5a可知，最大位移為0.03767 mm，發(fā)生在零部件邊緣處，通過應(yīng)力分析結(jié)果可知，最大應(yīng)力242.2 MPa，如圖5b所示。選用材料7075-T6的許用應(yīng)力為505 MPa。在承受上述外載下，結(jié)構(gòu)能正常運行，不會發(fā)生損壞。

圖5 連接夾板變形和應(yīng)力分析圖

3 模擬搬運實驗

為了驗證外骨骼樣機對人體彎腰搬運過程的實際助力效果，邀請了10名成年健康男性工人(年齡(25.1±2.3)歲，身高(173.3±4.3)cm，體重(67.4±6.1)kg)參與了是否穿戴外骨骼的對比模擬搬運實驗：15 min內(nèi)完成90組重復(fù)搬運動作，如圖6所示。實驗過程完成表面肌電信號、耗氧量的采集和主觀感知勞累程度的評價。

圖6 模擬搬運實驗

受試者腰部豎脊肌(Lumbar Erector Spinae，LES)和胸背豎脊肌(Thoracic Erector Spinae，TES)表面肌肉電信號的測試結(jié)果如圖7所示，縱軸為歸一化后的平均肌電信號幅度百分比。穿戴外骨骼后，LES和TES肌肉活動分別減少了31.5%和18.7%。

圖7 肌電信號數(shù)據(jù)對比

受試者相對平均耗氧量測試結(jié)果如表2所示。利用SPSS軟件對采集的有/無外骨骼條件下耗氧量數(shù)據(jù)進行配對t檢驗，p>0.05表明是否穿戴該款外骨骼不會造成受試者耗氧量指標(biāo)的顯著差異。

Borg量表通常被用來進行主觀疲勞以及勞動負荷的評價，實驗中Borg表測試結(jié)果如圖8所示。經(jīng)過配對t檢驗，p=0.011<0.05，對比實驗的結(jié)果存在顯著差異性。15 min結(jié)束時有/無外骨骼條件下Borg值分別為(5.45±0.50)，(6.65±0.53)。該款外骨骼能降低18%主觀疲勞程度。

表2 耗氧量數(shù)據(jù)

圖8 Borg量表對比實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

被動式搬運輔助外骨骼由于自身的獨特優(yōu)勢，在對搬運作業(yè)提供助力的前提下，未來在工業(yè)領(lǐng)域具備很高的應(yīng)用價值和市場前景。

(1) 通過建立人體搬運動作的運動學(xué)模型和基于人體運動模型的受力分析，得出外骨骼助力效果與所需轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，為外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù)；

(2) 完成了被動式搬運助力外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計，以凸輪-彈簧的機構(gòu)組合實現(xiàn)了搬運過程的蓄能與助力；

(3) 設(shè)計了模擬搬運對比實驗，結(jié)果表明該款外骨骼對腰部豎脊肌的實際助力效果達到了31.5%；能夠顯著降低受試者18%主觀感知的疲勞程度；耗氧量指標(biāo)則無顯著差異。