腰部助力外骨骼的背板及其綁縛優(yōu)化設計

羅文雪，干靜，劉宏偉，明子微，劉梓成

腰部助力外骨骼的背板及其綁縛優(yōu)化設計

羅文雪1，干靜1，劉宏偉2，明子微1，劉梓成1

（1.四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065； 2.北京精密機電控制設備研究所 航天伺服驅(qū)動與傳動技術實驗室，北京 100076）

背板是有源腰部助力外骨骼對腰部助力的重要力傳遞結(jié)構，未經(jīng)人機考量的背板及其綁縛的穿著體驗較差。運用人體測量學和人體解剖學知識，從功能性、貼合性、舒適性三個維度考量，對有源腰部助力外骨骼剛性背板及其綁縛進行優(yōu)化設計。通過增加連接點位、優(yōu)化弧度、選用輕質(zhì)材料、減小面積等，設計出人機性能優(yōu)化的背板，并對綁縛的位置、結(jié)構、材料、調(diào)節(jié)方式等進行優(yōu)化。最終設計出滿足設計要求的背板及其綁縛。實驗驗證優(yōu)化后的背板及綁縛的肩部、上背部、下背部主觀舒適度評價均有提升。

外骨骼；背板；尺寸；形態(tài)設計；綁縛設計

人工物料搬運在手動作業(yè)密集的行業(yè)普遍存在，搬運時腰部承載了較大負荷，極易導致職業(yè)性腰部損傷。腰部助力外骨骼對穿戴者起到支撐、保護、助力和減少代謝等作用，可以減少人工物料搬運過程中的肌肉負荷和累積性疲勞[1]。

外骨骼采用電機驅(qū)動，主要結(jié)構如圖1所示。背板、腰架、腿架、大腿推板由上至下依次連接，是傳遞助力的剛性結(jié)構。背帶是將外骨骼穿戴在人體上的必要部件，是傳遞助力的關鍵結(jié)構。電池和電機驅(qū)動器組成驅(qū)動系統(tǒng)，為外骨骼機器人的運動提供動力。

圖1 腰部助力外骨骼主要結(jié)構

外骨骼的助力機制如圖2所示，穿戴者采用肌肉省力更多[2]的半蹲舉姿勢（即從地面搬舉物體時，膝關節(jié)彎曲度大約90°，軀干彎曲約45°）。下彎時腰架和腿架間的夾角增大。背板上安裝的傳感器通過檢測背部的姿態(tài)和角速度判定穿戴者準備起身時，電機驅(qū)動腰架和腿架轉(zhuǎn)動減小夾角，大腿推板推動大腿前側(cè)，腰架帶動背板一起轉(zhuǎn)動，通過背帶對穿戴者軀干施加拉力，輔助穿戴者的軀干直立。

作為傳遞助力的關鍵結(jié)構，背板的形狀、重量及其與人體的連接方式等都影響著外骨骼的助力效率和穿著體驗[3]。但當前的外骨骼研究主要集中于機械結(jié)構、控制系統(tǒng)等方面[4]，對舒適度的研究較少，導致外骨骼存在質(zhì)量較大、外觀設計較粗糙、綁縛無法調(diào)節(jié)尺寸等問題，會造成人體局部壓力過大導致疼痛。

圖2 外骨骼助力機制示意圖

因此，本文旨在結(jié)合人體運動特征、人體測量學和人體解剖學的相關原理和知識，對已有的有源腰部助力外骨骼的背板和背部綁縛進行優(yōu)化設計，在滿足人機協(xié)同運動并提供助力的前提下，提高其穿著舒適度。

1 背板的設計

1.1 現(xiàn)有背板存在的不足

（1）無法滿足功能要求

目前的聚酯背板有足夠的剛度來傳遞所需的力矩，但實驗發(fā)現(xiàn)其疲勞強度不足，在重復多次工作后會產(chǎn)生變形、開裂；并且背板上沒有相應的連接點位用于搭載柔性綁縛和電池、控制電路板及相應外覆蓋件等其他組件，這些組件只能暫時安裝于腰架上，對穿戴者軀干屈曲以及雙臂運動有較大妨礙。

（2）易引起疼痛或損傷

背板和人體背部形態(tài)不夠吻合，外骨骼的重力和助力集中在與人體的接觸點處，導致接觸點的皮膚承受較大的力，引起不適甚至疼痛。嘗試通過加大綁縛力來增大背板與人體的接觸面積，但綁縛又會對穿戴者皮膚產(chǎn)生壓迫和摩擦損傷。

1.2 背板的優(yōu)化設計

背板首先需要實現(xiàn)其基礎功能，通過優(yōu)化結(jié)構和合理選材來保證足夠的疲勞強度，并設計相應結(jié)構用于連接綁縛系統(tǒng)和電池等組件。其次，需要運用人機工程學等相關知識優(yōu)化背板曲面形態(tài)，使其更加貼合人體，避免局部力集中。

1.2.1 背板的基礎功能

（1）剛性背板實現(xiàn)高效傳遞助力

柔性外骨骼是外骨骼機器人研究領域的熱點，但目前仍處在實驗室階段，在技術、工程方面還有許多難題需要攻克[5]，暫時只有軍事領域使用，難以實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)[6]。

剛性外骨骼機器人是目前主流的外骨骼，研究更加深入，技術更加成熟，研發(fā)成本和生產(chǎn)成本都相對低廉。并且柔性外骨骼傳遞力矩時彈性形變會損耗部分驅(qū)動力，相比之下剛性外骨骼在最大輸出扭矩方面更加出色，因此選取剛性背板進行設計。

（2）連接腰架保證整體性

背板需要與腰架進行連接，腰架設計為左右對稱的兩個獨立件，通過橫向調(diào)節(jié)以適應穿戴者的髖寬。因此在背板下部的區(qū)域打孔用于連接腰架，通過螺栓與腰架、長度調(diào)節(jié)器剛性連接。

（3）背板搭載其他組件

背板的背面需要搭載電池、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)以及相應的外覆蓋件，幾種部件形狀均為較規(guī)則的幾何體，接觸面為平面，而背板為弧形設計，因此在背板上設計凸臺以打造平面連接點，如圖3所示，覆蓋件獨立安裝于背板后側(cè)，防塵防水，更加美觀。

1.2.2 背板的貼合性設計

（1）構建矢狀面曲面

人體脊柱有四個生理彎曲，根據(jù)背板尺寸，背板穿戴時與人體背部貼合的部位為胸椎、腰椎段，因此背板的曲面設計主要考慮胸椎、腰椎的曲度。

直立時，人體脊柱的生理彎曲為胸椎后凸，腰椎前凸。屈曲時，胸部的生理結(jié)構與組織限制了胸椎的運動，以致活動范圍較小[7]，屈曲時仍后凸；正常人腰椎由極度屈曲到極度伸直的總活動度在46.7°～81.4°之間，低位腰椎比高位腰椎活動度大[8]，屈曲時后凸。

胸椎不論是直立還是屈曲時均后凸，因此背板在胸椎段參考脊柱的生理曲度進行了貼合背部曲線的后凸設計。腰椎的活動范圍較大，且在直立、屈曲時弧度方向相反，因此背板在腰椎部分采用無弧度的平直設計，使得直立和彎腰狀態(tài)都不至于與人體產(chǎn)生過大的空隙或壓迫。如圖4所示。

圖4 背板矢狀面弧度設計

（2）構建水平面曲面

肩、胸、腰、臀四個部位的尺寸能夠很好地反映出人體軀干的整體尺寸變化[9]。背板使用時與人體的肩、胸、腰均有接觸，也是最容易產(chǎn)生空隙、磕碰或干涉的部位，因此選擇肩、胸、腰三個部位的橫截面形態(tài)指導背板水平面曲線設計，如圖5[9]所示。

直立時，肩部橫截面在背部一側(cè)的曲線似“M”形，從身體兩側(cè)到中央逐漸凸出，脊柱處由于肌肉相對薄弱向內(nèi)凹陷。胸、腰的曲線也遵循這一規(guī)律，但脊柱處凹陷逐漸平緩，因此背板貼合人體橫截面曲線進行了弧度設計。屈曲時，由于脊柱、腰背肌肉的拉伸，脊柱處會由內(nèi)凹轉(zhuǎn)為外凸，因此背板在中間的脊柱處并未凹陷，以容納穿戴者彎腰時的背部曲線變化。如圖6所示。

圖5 人體體表形態(tài)

圖6 背板水平面弧度設計

1.2.3 背板的輕量化設計

（1）背板材料的輕量化

美國國防部曾對外骨骼機器人的結(jié)構材料做出要求：必須使用堅固、輕型且有彈性的材料。堅固才能有效地保護穿戴者不受傷害，質(zhì)輕且有彈性可以保證外骨骼穿戴的舒適性并有效減少對穿戴者活動的干涉。除此之外，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，背板的應力集中處易產(chǎn)生開裂，因此背板材料還應具有足夠的疲勞強度。

常見的外骨骼材料有鋁合金、鈦合金、鈦鋁合金、復合材料、納米材料、工程塑料等。鋁合金密度低、強度高、塑性好，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，是目前工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬材料。其中，6061鋁合金是經(jīng)熱處理預拉伸工藝生產(chǎn)的高品質(zhì)鋁合金產(chǎn)品，具備較多的鎂、硅合金特性，韌性高、塑性好，加工性能和焊接性能極佳，具有良好的抗腐蝕性，材料致密，加工后不易變形，在退火后仍能維持較好的操作性。因此，選用6061鋁合金為背板材料，其力學性能如表1所示。

表1 6061鋁合金的力學性能

（2）背板結(jié)構的輕量化

根據(jù)背板的形態(tài)結(jié)構，在滿足所需剛度、強度的前提下增加開孔，可有效減少鋁材用量，進而減輕背板重量，如圖7所示，僅通過合理增加鏤空就使得背板的重量減少了約9.13%。

圖7 背板增加開孔前后對比

脊柱處的人字形鏤空使該區(qū)域剛性減小，可以更好地適應屈曲時的背部曲線。此外，增加開孔還能提升外骨骼的通風性，利于搬舉時體熱的發(fā)散和汗液的蒸發(fā)，有助于提高人體的舒適度。

2 背部綁縛的優(yōu)化設計

2.1 現(xiàn)有綁縛存在的問題

（1）背板與人體之間空隙較大

外骨骼施加助力時，背板先運動，通過綁縛系統(tǒng)帶動穿戴者軀干，此過程中由于穿戴者和外骨骼運動的細微不同步，背板會與人體背部產(chǎn)生較大空隙，造成能量損耗，降低傳遞助力的效率；當背板到達直立位停止運動后，人體由于慣性繼續(xù)運動，會撞擊在背板上產(chǎn)生沖擊?，F(xiàn)有綁縛沒能使背板和人體緊密連接，未實現(xiàn)人和外骨骼配合的一致性與協(xié)調(diào)性[10]。

（2）肩部和后腰椎產(chǎn)生疼痛

肩帶是外骨骼與人體進行垂直方向固定的最主要部件，外骨骼的重量大部分都由肩膀承擔，肩部受力過于集中，長時間穿戴后易肩痛。

在搬舉作業(yè)過程中，軀干的屈曲和上肢的運動導致人體與剛性背板間產(chǎn)生接觸、碰撞，15～20 min后大部分受試者出現(xiàn)疼痛，在肩胛骨、腰椎處尤其明顯。

2.2 綁縛的優(yōu)化設計

首先需要優(yōu)化綁縛方式，減少背板與后背的空隙，讓背板更加貼合人體。同時對綁縛結(jié)構、材料進行優(yōu)化設計，減小對接觸部位皮膚的壓強，避免疼痛和損傷；保證透氣性，減少出汗量并讓汗液盡快蒸發(fā)。

2.2.1 貼合性優(yōu)化

（1）增加胸帶

因為有腰帶進行固定，人體下背部與背板連接相對更緊密，所以背板和人體的空隙在上背部更加明顯。因此設計了胸部綁帶，從穿戴者腋下穿過至胸前扣合，在讓背板和穿戴者上背部連接更加緊密的同時，也可以分擔一部分外骨骼重力，緩解肩部受力。

在此之前，背部只有肩帶對背板進行垂直方向的位置固定，胸帶的增加引入了水平方向的位置固定，極大改善了背板的左右攢動情況。

（2）尺寸可調(diào)節(jié)

綁縛的肩帶、胸帶均加入一段可供長度調(diào)節(jié)的尼龍織帶，可根據(jù)穿戴者體型進行無極調(diào)節(jié)，更好地適應不同穿戴者的身高和胸圍，既保證外骨骼和人體緊密貼合，又保證穿戴者順暢呼吸。

2.2.2 舒適性優(yōu)化

（1）提高透氣性

前文的設計提高了背板的貼合性，但也導致背板與背部接觸的部位空氣無法順暢流通，汗液不能有效蒸發(fā)，熱量無法及時排出體外，讓穿戴者感到悶氣和不舒適。

因此，首先需要選用具有良好透氣性的面料。尼龍材料具有質(zhì)量較輕、不吸濕、干燥快、強度良好等優(yōu)點[11]，是理想的綁縛面料。其次，在背部柔性墊層與背部接觸的一面增加山脊狀海綿墊，如圖8所示，通過隆起將背包與背部貼合部分支撐起來，達到透氣的目的。

圖8 背板山脊狀海綿墊

（2）改善對局部的壓迫

肩帶接觸肩膀部分的海綿墊進行加厚加寬處理，緩解外骨骼重力對肩部造成的局部擠壓。

胸部綁帶內(nèi)側(cè)與人體接觸層選用柔軟的彈力松緊帶，避免因長時間擠壓、摩擦而損傷皮膚；外側(cè)選用無彈性的尼龍織帶，限制彈力帶的最大拉伸長度，避免過度拉扯縮短其壽命。

背部柔性墊層選取軟硬適中的軍用背包背部材料，包括防水涂層尼龍、剛性薄板和高密度海綿等，在保證舒適性的同時，避免由于太柔軟而消解外骨骼對人體的助力。

3 對比實驗

為論證背板形態(tài)的合理性及綁縛方式的有效性，選擇7名中國人體特征男性設計對比實驗。被試者年齡18～25歲，身高170～180 cm，體重60～80 kg，基本生理參數(shù)如最大攝氧量、血壓、安靜心率、心電圖等無顯著差異。

本次實驗共設置2組單一對比變量。實驗一：被試者穿戴優(yōu)化前的腰部外骨骼樣機進行物資搬運實驗；實驗二：被試者穿戴優(yōu)化后的腰部外骨骼樣機進行物資搬運實驗。

實驗時，被試者穿戴好腰部外骨骼模擬樣機，模擬士兵野外轉(zhuǎn)移、裝卸、碼垛擺放彈藥箱的全過程：將A區(qū)域初始放置的20 kg彈藥箱從地面搬起并勻速行走至10 m遠的B區(qū)域，按照原樣放置后走回至A區(qū)域。被試者在A、B區(qū)域間往返10次為一組實驗。實驗結(jié)束后，被試者根據(jù)各部位的主觀感受，對肩部、上背部、下背部進行舒適度評價，舒適度等級分為1～7級，數(shù)字越大代表越舒適。

被試人員的主觀舒適度評價結(jié)果如表2所示，對比可知，背板及背部綁縛優(yōu)化后的外骨骼，對肩部、上背部、下背部的舒適度均有不同程度提升，其中肩部舒適度提升最多。

表2 各部位主觀舒適度評價結(jié)果

4 總結(jié)

本文通過在背板上設計凸臺、孔位，用于搭載部件，滿足背板的基礎使用功能；通過輕量化設計有效減輕背板重量，減輕穿戴者負擔，提升助力效率；通過對背板和背部綁縛系統(tǒng)進行優(yōu)化，緩解剛性背板對穿戴者背部的壓迫，使其穿著貼合度、舒適度有明顯提升。本設計符合設計要求，可為有源腰部助力外骨骼的背板和背部綁縛設計提供參考。

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Optimization Design of the Back Board and its Binding of the Waist Assistive Exoskeleton

LUO Wenxue1，GAN Jing1，LIU Hongwei2，MING Ziwei1，LIU Zicheng1

( 1.School of Mechanical Engineering, Sichuan University,Chengdu 610065,China; 2.Laboratory of Aerospace Servo Actuation and Transmission, Beijing Research Institute of Precise Mechatronics and Controls, Beijing 100076, China )

The back board is an important force transmission structure of the active waist assistive exoskeleton, but the wearing experience of the back board and its binding, which is lack of the consideration of man-machine performance, is not good. Based on the knowledge of anthropometry and human anatomy, the rigid back board and its binding of the active waist assistive exoskeleton are optimally designed from three dimensions: functionality, conformability and comfortability. By adding connection points, optimizing the radian, using light material and reducing the area, the man-machine performance of the back board is improved, and the position, structure, material and adjustment mode of the binding are optimized. The result shows that the back board and its binding designed meet the design requirements, and the subjective comfort ratings for the shoulders, upper back and lower back are improved after optimization.

exoskeleton；back board；size；form design；binding design

TP242

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.05.011

1006-0316 (2021) 05-0075-06

2020-06-08

羅文雪（1997－），女，重慶人，碩士研究生，主要研究方向為機械設計、產(chǎn)品設計，E-mail：582361839@qq.com；干靜（1968－），女，重慶人，博士，教授，主要研究方向為產(chǎn)品創(chuàng)新設計理論、計算機輔助工業(yè)設計、機械設計等。