無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

康輝梅，高 婧，汪 倩，付宇淇，薛澤灝，許怡赦

（1.湖南師范大學(xué)工程與設(shè)計(jì)學(xué)院，湖南 長沙 410081；2.湖南開放大學(xué)智能制造學(xué)院，湖南 長沙 4100004）

0 引言

汽車總裝生產(chǎn)線上存在大量的崗位需要作業(yè)人員根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍先走動(dòng)拿取零件和工具、然后手持零件和工具采用下蹲姿勢進(jìn)行作業(yè)，長時(shí)間的反復(fù)下蹲一方面容易導(dǎo)致肌肉勞損、甚至引發(fā)職業(yè)性肌肉骨骼疾病，另一方面也影響作業(yè)質(zhì)量。近年來，可穿戴機(jī)械外骨骼因能顯著提高個(gè)人負(fù)重能力、輔助進(jìn)行康復(fù)治療而逐漸在軍工、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛研究和應(yīng)用[1-4]。而在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒖纱┐鳈C(jī)械外骨骼作為一種坐具，為生產(chǎn)線作業(yè)人員下蹲作業(yè)時(shí)提供支撐方面的研究也已經(jīng)有一些嘗試和探索。崔家碩[5]研究和設(shè)計(jì)了一款通過控制外骨骼膝關(guān)節(jié)自鎖實(shí)現(xiàn)蹲坐支撐功能的裝置，楊文豪[6]研究和設(shè)計(jì)了一款多連桿變胞三角形支撐機(jī)構(gòu)。以上兩款設(shè)計(jì)更多考慮了行走便利，因而都將機(jī)構(gòu)設(shè)置在穿戴人員雙腿的左右兩側(cè)，這對于在生產(chǎn)線上的應(yīng)用來說存在兩個(gè)弊端：一個(gè)是作業(yè)人員行走時(shí)可能刮花汽車車身；另一個(gè)是機(jī)構(gòu)尺寸太大，從而導(dǎo)致重量較重，增加作業(yè)人員負(fù)擔(dān)。為了滿足汽車總裝生產(chǎn)線快速的生產(chǎn)節(jié)拍和特殊的工作環(huán)境需要，本文設(shè)計(jì)一款無動(dòng)力、輕便小巧、能快速進(jìn)行站姿和坐姿切換的穿戴式外骨骼座椅，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車總裝生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍很快，譬如廣州本田增城工廠每51 s 就有一臺車從總裝生產(chǎn)線下線，這就要求所設(shè)計(jì)的外骨骼座椅能快速地讓穿戴者在站姿和坐姿間切換。考慮到作業(yè)人員雙手被零件和工具占據(jù)，作業(yè)人員進(jìn)行站姿、坐姿切換時(shí)應(yīng)不需要手動(dòng)操作?；谝陨闲枨?，坐姿采用圖1（a）所示簡單穩(wěn)定的三角形支撐結(jié)構(gòu)，大腿桿和小推桿分別用伸縮帶綁定在穿戴者的大腿和小腿后側(cè)，斜撐桿組由兩部分組成，上半部分為伸縮桿，在桿長方向上可以自由伸縮和鎖定支撐。當(dāng)穿戴者需要站立或行走的時(shí)候，在大腿肌肉的帶動(dòng)下，大腿桿繞小腿桿旋轉(zhuǎn)，同時(shí)伸縮桿伸長如圖1（b）所示，坐姿和站姿切換快捷便利，無需借助外部動(dòng)力，亦無需手動(dòng)操作。

圖1 作業(yè)人員穿戴外骨骼座椅的示意圖

汽車總裝生產(chǎn)線不同崗位的裝配位置不同，要求的作業(yè)人員蹲坐高度也不同，因此設(shè)計(jì)的外骨骼座椅的蹲坐高度應(yīng)能根據(jù)崗位作業(yè)需求可調(diào)。此外汽車生產(chǎn)線為了提高生產(chǎn)效率，減少步行時(shí)間，每個(gè)崗位的裝配位置一般會(huì)集中在同一區(qū)域，因此作業(yè)過程中外骨骼座椅的高度不需要進(jìn)行調(diào)整。因此，斜撐桿組的下半部分設(shè)計(jì)為氣壓桿，每位作業(yè)人員根據(jù)自己的崗位需求設(shè)置氣壓桿的伸出長度，從而實(shí)現(xiàn)蹲坐高度的無級調(diào)節(jié)。氣壓桿的長度一經(jīng)調(diào)定，作業(yè)人員在每個(gè)節(jié)拍內(nèi)下蹲作業(yè)時(shí)的蹲坐高度保持不變，因此，設(shè)計(jì)的外骨骼座椅的蹲坐高度具有記憶功能。

本文設(shè)計(jì)的無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅的結(jié)構(gòu)組成如圖2 所示。該裝置由大腿桿、小腿桿、伸縮桿、氣壓桿、坐墊、腰部綁帶、大腿綁帶和小腿綁帶等組成。大腿桿和小腿桿之間、大腿桿和伸縮桿之間、小腿桿和氣壓桿之間分別用鉸鏈連接，伸縮桿和氣壓桿同軸安裝。坐墊固定安裝在大腿桿的上端。腰部綁帶、大腿綁帶和小腿綁帶均采用魔術(shù)貼綁帶，松緊程度可自由調(diào)節(jié)。

圖2 無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅結(jié)構(gòu)組成

作業(yè)人員在上班前的準(zhǔn)備時(shí)間段先通過綁帶將無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅固定在腰部和下肢上，根據(jù)站立行走的舒適度調(diào)整各綁帶的長度，然后根據(jù)本崗位作業(yè)高度要求按住氣壓桿的氣孔，調(diào)節(jié)氣壓桿長度至和本崗位相適應(yīng)的蹲坐高度。作業(yè)過程中無需手動(dòng)操作，伸縮桿在大腿肌肉帶動(dòng)下自由伸縮，當(dāng)作業(yè)人員需蹲坐作業(yè)時(shí)，伸縮桿縮短至最短位置并鎖止，大腿桿、小腿桿、伸縮桿和氣壓桿一起組成三角形支撐結(jié)構(gòu)，為作業(yè)人員提供穩(wěn)定支撐，且每個(gè)節(jié)拍內(nèi)的蹲坐高度保持不變；當(dāng)作業(yè)人員需站立和走動(dòng)時(shí)，伸縮桿伸出，伸出長度視蹲坐高度而定。根據(jù)《中國成年人人體尺寸》可知，18～60 歲成年男性會(huì)陰至膝長為329 ～424 mm，18～55 歲成年女性會(huì)陰至膝長為317～402 mm，設(shè)置大腿桿長度為350 mm；18～60 歲成年男性小腿加足高為372 ～463 mm，18～55 歲成年女性小腿加足高為331 ～417 mm，為了防止站立行走時(shí)小腿桿觸地，設(shè)置小腿桿長度為330 mm。

2 無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅鉸點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了使無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅結(jié)構(gòu)盡量緊湊，斜撐桿組的安裝位置采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法確定。

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅的設(shè)計(jì)要求整個(gè)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，盡量和腿部貼合，但是作業(yè)人員穿戴上無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅進(jìn)行裝配作業(yè)時(shí)，蹲坐姿態(tài)下和站立行走姿態(tài)下外骨骼座椅都會(huì)占據(jù)一定空間。因此，在無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅機(jī)構(gòu)示意圖（圖3）中，選擇從蹲坐至站立過程中小腿桿與斜撐桿組的角度θ的最大值為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最小。目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式為：

圖3 無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅機(jī)構(gòu)示意圖

式中，θ可由正弦定理求得為鉸點(diǎn)AB之間的距離，角α為∠ABC的補(bǔ)角，根據(jù)汽車總裝生產(chǎn)線的作業(yè)高度設(shè)置情況，角度α的可調(diào)范圍設(shè)為[60°，120°]，S1為伸縮桿的長度，S2為氣壓桿的長度。由△ABC應(yīng)用余弦定理可求得：

式中，l3為鉸點(diǎn)BC之間的距離。

選擇l1和l3兩個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，即：

兩個(gè)設(shè)計(jì)變量的取值范圍分別設(shè)為：60 mm ≤x1≤320 mm，60 mm ≤x2≤300 mm。

考慮到整個(gè)裝置的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊、以及蹲坐時(shí)的穩(wěn)定性和安全性，要求蹲坐姿態(tài)下斜撐桿組的最大長度，即伸縮桿的最短長度和氣壓桿的最大長度之和，需小于等于320 mm，即：

式中，S1min為伸縮桿的最短長度，S2max為氣壓桿的最大長度。

為了保證氣壓桿和伸縮桿工作的穩(wěn)定性，參照液壓油缸伸縮比的規(guī)定，要求氣壓桿和伸縮桿的伸縮比滿足：

式中，S1max為伸縮桿的最大長度，S2min為氣壓桿的最短長度。

至此，建立了無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅的鉸點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)求解

本優(yōu)化設(shè)計(jì)問題屬于約束非線性優(yōu)化，使用傳統(tǒng)優(yōu)化方法容易陷入局部最優(yōu)情況而無法獲得全局最優(yōu)解，故采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在MATLAB 軟件中先編寫函數(shù)文件fun 求解從蹲坐至站立過程中小腿桿與斜撐桿組的角度的最大值，然后再編寫非線性約束函數(shù)文件con_fun 計(jì)算式（4）和式（5），最后利用MATLAB 自帶的遺傳算法工具箱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得最優(yōu)解為：l1= 60 mm，l3=285 mm，從而確定了斜撐桿組的鉸點(diǎn)安裝位置。由第3 節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，大腿桿和小腿桿的長度分別為：l2= 350 mm，l4= 330 mm。

3 無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組尺寸設(shè)計(jì)

以上已分別確定了大腿桿和小腿桿的長度，以及斜撐桿組分別和大腿桿以及小腿桿相連接的鉸點(diǎn)位置，接下來根據(jù)作業(yè)人員的蹲坐高度調(diào)節(jié)需求和站立行走需求分別確定斜撐桿組中伸縮桿和氣壓桿的行程和安裝長度。

首先確定，氣壓桿的最短長度和最長長度分別對應(yīng)作業(yè)人員的最低蹲坐高度和最高蹲坐高度，此時(shí)伸縮桿均處于全縮狀態(tài)。在斜撐桿組的安裝鉸點(diǎn)位置已確定的情況下，不同的蹲坐高度由大腿桿和小腿桿之間的夾角α的大小決定。因此，分別將α= 120°，l1=60 mm，l3= 285 mm 代入式（2），解得最低蹲坐高度時(shí)斜撐桿組的總長度為：

分別將α= 60°，l1= 60 mm，l3= 285 mm 代入式（2），解得最高蹲坐高度時(shí)斜撐桿組的總長度為：

由式（7）減式（6）可得氣壓桿的行程為：

當(dāng)作業(yè)人員從最低蹲坐姿態(tài)開始站立時(shí)，伸縮桿的伸出長度最長。作業(yè)人員站立時(shí)，大腿桿和小推桿之間的夾角α為0°，分別將α= 0°，l1= 60 mm，l3=285 mm 代入式（2），可得站立時(shí)斜撐桿組的總長度為：

由式（10）減式（6）可得伸縮桿的行程為：

由式（6）（7）和式（9）可以求得伸縮桿和氣壓桿均為最長長度時(shí)伸縮桿組的總長度為：

由式（11）除以式（6）可求得斜撐桿組總的伸縮比為：

伸縮桿和氣壓桿的伸縮比均取斜撐桿組總的伸縮比，即：

再綜合考慮伸縮桿和氣壓桿的最短長度以及行程，可分別求得伸縮桿和氣壓桿的最短長度，也即伸縮桿和氣壓桿的安裝長度，

4 結(jié)論

（1）針對汽車總裝生產(chǎn)線作業(yè)崗位需求，設(shè)計(jì)了一款無動(dòng)力、能快速進(jìn)行站姿和坐姿切換、可無級調(diào)節(jié)且蹲坐高度具有記憶功能的穿戴式外骨骼座椅。

（2）建立了無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組的鉸點(diǎn)位置優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，采用MATLAB 軟件自帶的遺傳算法工具箱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了斜撐桿組分別和大腿桿以及小腿桿相連接的鉸點(diǎn)位置。

（3）進(jìn)行了無動(dòng)力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組尺寸設(shè)計(jì)，根據(jù)蹲坐高度調(diào)節(jié)需求和站立行走需求，分別確定了伸縮桿和氣壓桿的行程和安裝長度。