無動力人體助力外骨骼椅的優化設計與制造

李辰晨，邢子霖，崔鳳杰，鄭穎超，鄒易君，戴寧，王曦

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在飛機以及其他大型機械的裝配現場，由于零件外形和不同裝配工作臺高度的限制，工人們有時必須長時間采用半蹲或者半蹲同時大角度后仰的姿勢完成零件的裝配，這會導致工人體能的無用消耗[1]，而助力外骨骼正是解決這一問題的關鍵技術。

GALINSKI D等在研究康復型外骨骼時指出，設計外骨骼應有兩個主要標準：運動范圍以及寄生力的大小，這兩個標準是外骨骼設計時的難點[2]。外骨骼的設計核心在于運動學模型設計，通過優化拓撲結構、運動學和慣性效應來改善人-機的集成，運用多體動力學建模模擬骨骼系統和外骨骼動力學來設計外骨骼，使之能夠預測外骨骼所做的努力并應用于人體[3]。

國外近年開展了很多助力外骨骼的研究：美國麻省理工學院健康科學與技術部開發了一種自主電池動力外骨骼，該外骨骼能在腳底推離地面階段為踝關節提供助力，從而為負重人體減少體力消耗[4]；巴黎第六大學智能系統與機器人研究所提出了一種人類膝關節的自調整外骨骼，可用于截癱患者的康復過程，該外骨骼的膝關節轉矩可被編程并且能自我調整來適應人體的生理運動[5]；瑞典的一位工程學博士設計了一種名為輔助性膝關節支撐的動力膝關節矯形器，是專為老年人和膝蓋功能障礙患者設計的，能實時評估人體步態作為矯形器控制器的輸入，以便在行走時為膝蓋關節提供轉矩支持[6]；美國加利福尼亞大學的人類工程與機器人實驗室的研究團隊采用液壓驅動系統，以一種特制的板載內燃機提供電力和液壓兩種動力，使用靈敏放大和混合輔助控制方案，設計了伯克利下肢外骨骼(BLEEX)[7]。國內近些年來也展開了對助力外骨骼的研究，如河海大學王義斌團隊基于人體下肢結構特征及行走的生物學特征,結合零點力矩理論進行分析,對機器人的結構進行簡化,建立了外骨骼機器人的連桿模型,制作了下肢助力外骨骼樣機[8]。

在外骨骼的商業化應用方面，奧迪、寶馬這兩個汽車制造公司近些年來使用的外骨骼產品Paexo和Skelex 360主要用于工人的架空作業，為人體的上肢和腰部提供了很好的助力效果；國外還有3款已經商業化的下肢外骨骼：Noonee、LegX和Ofrees分別可以向用戶提供3種不同高度的裝配工位[9-10]。然而目前國內的外骨骼研究主要集中于醫療、軍事領域，且大部分是用于為穿戴者行走提供助力的，專門用于為半蹲姿態提供助力的外骨骼相對較少，而且在這些用于為下肢姿態保持提供助力的外骨骼，無法同時滿足機構簡便、體積小巧、裝配高度改變靈活、為大角度后仰姿態提供助力這幾個條件[11]。因此，研究一款同時滿足上述條件的下肢姿態保持助力外骨骼就顯得尤為必要。

本文根據航空宇航制造過程中裝配工人的實際需求，設計了一款以人-機6桿機構為基礎的、用于助力的下肢姿態保持外骨骼，并對機構主要承力部件進行受力分析、應力校核和干涉檢查。

1 工作原理

1.1 運動學模型建立

外骨骼椅作為一套可供人穿戴的體外設備，能在人屈膝至工作角度時給人體提供有力支撐，起到椅子的效果。一副性能優良的外骨骼椅在結構強度滿足工作要求的同時還要求盡可能方便使用，質量輕便，不會影響人的正常行走。

人體正常運動的過程中，髖關節有3個自由度，膝關節1個自由度，踝關節3個自由度，一條腿有7個自由度。而使用外骨骼椅子時，一條腿的7個自由度關節中僅2個關節的2個自由度處于激活狀態——踝關節和膝關節在矢狀面的轉動。

為了設計出結構簡單、轉動靈活且支撐力強的外骨骼椅結構，外骨骼椅選用6桿閉環機構作為基本結構框架，運動學模型如圖1所示。當使用者下蹲進入工作狀態時，大小腿主板之間的夾角會隨之減小，其中小腿板上移動副的滑塊會抵達滑軌的最末端，構成三角形穩定結構。人將重力傳到大腿板上，大腿板則將力順著腿連桿和小腿板導向地面。整體來看，外骨骼以椅子的形式給人體提供了半蹲時的支撐，以此緩解工人在工作過程中長時間保持半蹲工位的肌肉疲勞。

1—大腿；2—膝關節；3—小腿；4—踝關節；5—足；6—腳連桿；7—小腿主板；8—滑塊；9—腿連桿；10—大腿主板；11—坐墊。

1.2 動力學計算分析

根據運動學簡圖，以腳踝的轉動副為原點建立了坐標系來準確描述各個關節之間的運動關系，如圖2所示。將運動學模型中關鍵的轉動副用點標注，可通過分析運動過程中點的位置變化對外骨骼的使用過程進行分析。

圖2 外骨骼運動學簡圖

人體站立姿勢時，大小腿近似豎直，外骨骼處于非工作態，如圖2(a)所示。φ為大小腿之間夾角。α為小腿BC和豎直線之間的夾角，則φ=180°，α=0°。為適應人的姿勢，外骨骼需將長度延伸至與人腿等高。在坐標系中可表示為

LAB+LBC=LAEcosγ+LEGcos(γ+β)+LOGcosθ

(1)

同時，若要不影響人的正常行走，當腿部在走動過程中小角度屈膝時，外骨骼椅中角要隨著角的變化而自由變動。同時腳踝后外骨骼結構不能接觸人體和地面，否則都會給使用者帶來不適。將上述條件轉化為坐標關系如下：

(2)

根據式(2)中的數學關系，β隨著LEF的增大而減小，LEF的變化在運動學模型中表現為小腿處移動副滑塊的位置變化。

當φ角持續減小，人進入半蹲工位，外骨骼由非工作狀態進入了工作狀態，如圖2(b)所示。工作狀態下F點抵達移動副底端點Fbottom，G點接觸地面形成從人體經外骨骼椅傳至地面的力流。將工作狀態下外骨骼和人腿抽象成桿件模型進行靜力學分析，如圖3所示。

圖3 外骨骼工作狀態下的受力分析

各段桿的長度分別為LAE、LEG、LDF。ε與工角有關，當人體處于工作姿態時，人體質心與腳踝連線幾乎垂直于地面，此時有：

(3)

(4)

以總質量G的一名成年男性為例計算，各桿件受力如下：

(5)

F2=F3cosρ-F5cos(ρ+δ)-F4

(6)

(7)

(8)

(9)

F6=F3cos(σ-δ)-F5cosσ-F4sinε

(10)

F7=F5sinσ-F3sin(σ-δ)-F4cosε

(11)

連桿DF受力F3最大，遠超過其他桿件，與連桿作為主要支撐結構相一致，在結構設計時需對其兩端結點處的結構進行強度校核，確保足夠的強度。

為了滿足大多數半蹲工位的需求，外骨骼椅將針對屈膝90°～120°之間的工作位置進行設計，做到裝備時可以無級調節，并保證工位調整之后能達到穩定的助力效果。根據公式(2)中cosβ與LDE的關系，當LDE增大時，工作狀態的β角減小;LDE減小時，工作狀態的β角增大。因此，只需找到合適的范圍，便可以通過改變β角的大小進而適應工角φ的變化，如圖4所示。

圖4 工角變化示意圖

2 結構設計

2.1 設計要求

從自由度實現、輕量化設計、穿戴便捷性等方面出發，下肢外骨骼椅結構設計時要滿足以下幾點要求：當人體下蹲時，外骨骼能夠實現相對應的自由度自鎖，從而維持蹲姿工位；在人體起身時，自鎖能夠消除，恢復站立或行走；下肢外骨骼質量不宜過大，主要采用鋁合金、樹脂材料和高強度低密度的復合材料，單腿質量控制在1 kg左右；外骨骼椅具有一定的折疊功能，通過簡單的拆解就可以壓縮在手提箱中，滿足易攜帶的需求。

2.2 設計內容

1)支撐結構設計

支撐結構分為大腿主板，小腿主板和中間的連桿部分，是整個外骨骼的框架和主要承力部分。

大腿部位有髖關節，髖關節連接臀部和大腿，是人體坐下時與外界的主要支撐部位，相應的也是外骨骼與人腿接觸面積最大的部分，如圖5(a)所示。主板上的坐墊是人體與外骨骼主要接觸的構件，使人體大腿與外骨骼自然接觸又防止了大腿桿過長而產生運動干涉。大腿板的“n”字形截面大大提高了承載的能力，確保了其使用時不會發生彎曲變形。

小腿支撐結構在力的傳導中起著承上啟下的作用。該部分結構設計如圖5(b)所示，主板結構選用碳纖維板，充分發揮了碳纖維復合材料密度低強度大的優點。在主板背后添加兩碳纖維加強桿構成肋結構來增加主板的強度，并采用上下定位套和壓片把這些加強桿固定在主板上。

連桿部分外骨骼是受力最大的地方，需要在保證其強度足夠的前提下盡可能減輕質量，故這一部分采用四碳纖維桿為主體，上下接頭與定位套輔助固定的結構設計，如圖5(c)所示。碳纖維材料強度高、質量輕，輔以定位套的約束防止工作時失穩，能有效地提供大小腿之間的銜接支撐。

與腳踝連接的部分借鑒Noonee公司的產品設計選用綁帶與磁吸結構設計，如圖5(d)所示。該處的設計是為了使用者方便穿戴。在安裝好有磁吸接口的腳部機構，只需將腳踝連桿靠近腳部的側面，外骨骼椅的小腿板底部將不會觸碰到使用者腳后跟的位置而影響人體正常行走。

圖5 外骨骼主要支撐結構圖

2)運動副結構設計

外骨骼的運動副結構是指進行工位調節與滿足使用時自由度所需要的結構基礎。為了滿足不同身高的穿戴者，調節不同的工作角度，需要在使用前或使用時對一些關鍵結構進行位置上的調整。將坐墊兩側開槽便可調節坐墊的前后位置。根據運動學分析中LDE與φ的關系，為了在穿戴時方便調節工角，可用快拆桿和工位調整塊的無級自鎖實現連桿上方鉸接孔的位置調節。軸承和適當的間隙配合可以實現各個鉸接處的高靈活度。移動副選用滑槽滑軌小摩擦的移動結構，確保使用者可以平滑蹲起。小腿部分的定位套可在安裝時設定Ftop和Fbottom位置，完成移動副極限位置的預調節。

3)折疊功能結構設計

當外骨骼設備短時間內不使用或是需要長距離搬運郵寄時，可拆下中間的連桿和大腿滑塊部分，大小腿主板連接處鉸接頭的直角結構能實現將大小腿主板的對折，這樣整個外骨骼就能放置在一個窄小的空間內，方便打包運輸，如圖6所示。

圖6 外骨骼折疊狀態

2.3 應力校核

根據外骨骼設計時載荷傳遞的桿件模型，參數分別?。篖AE=384 mm；LEG=467 mm；LDF=300 mm，LFG=257 mm，大腿板處快拆桿位置適中，人體部分以總質量90 kg(體重 85 kg，手持 5 kg 鉚槍)計算，可根據式(5)-式(11)求出圖3中各力的值為：F1=494.41 N，F2=356.27 N，F3=1 371.78 N，F4=285.15 N，F5=641.43 N。可見連桿兩端受力最大且結構最脆弱，是需要校核強度的地方。在兩端的零件上添加適當的約束和載荷之后可得到零件的應力分布云圖，如圖7所示。

圖7 部分零件的應力分布云圖

數控加工中鋁合金的屈服強度為400 MPa左右，遠高于圖中最大應力79.6 MPa，因此外骨骼靜強度滿足要求且強度有余量承受沖擊。

3 運動學仿真

外骨骼模型建立完成后，為了保證外骨骼能夠正常工作，需檢查外骨骼與人體的耦合情況，避免干涉，故需要對外骨骼進行運動學仿真。

穿戴者從站立姿態到蹲下姿態仿真如圖8所示，圖中截取了人體在穿戴外骨骼時從膝蓋微曲到半蹲的幾個時刻圖。可以看到，在最后小腿滑塊觸底，小腿支撐桿與人體腳底平齊，此時外骨骼椅處于穩定支撐狀態，人體處于蹲姿工況。外骨骼的運動仿真無誤，達到設計要求。

圖8 下蹲運動過程組圖

通過運動學仿真可以得出，在任意時刻下外骨骼與人體耦合正常，尺寸設計合理，滿足理論靜態拓撲模型。整個運動過程無干涉，外骨骼工作情況達到設計預期效果，接近真實工作情況，滿足動態設計要求。

4 結語

外骨骼椅作為航空宇航裝配過程中的助力工具，能有效減緩工人的工作疲勞。本文采用理論分析和軟件仿真相結合的方法，先后進行了工作原理分析、受力分析和運動學仿真。最終外骨骼椅設計采用多連桿結構，能實現不同體型使用者不同角度下蹲的助力功能，具有體積小、質量輕、變換調節靈活、使用范圍廣的特點。腿墊部分采用鏤空結構，在減輕質量的同時還能起到透氣的效果。本次設計整體優勢明顯，結構簡單，制造工藝比較簡單，但穿戴穩定性還需進一步加強。目前從宏觀形勢及政策上來看，我國外骨骼的研究前景主要是以自主設計制造為主，將滲透我國生產制造的各個方面，以后還需要針對不同的施工條件開展更多研究。