基于扭簧工作的助力外骨骼設計和實驗*

祝霄冰 邊煜富 趙思旭 王家珠 陳慧敏

中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 北京 100083

1 外骨骼的方案設計

1.1 外骨骼的結構

1.1.1 整體結構。這款基于扭簧工作的無源腰部助力外骨骼主要由胸板、胸部支撐、扭簧裝置、腿部支撐、肩部織帶、腰帶六部分組成，如圖1。當人彎腰搬運重物時，人前半身的重力和重物的重力使腰部的扭簧發生形變，重力勢能轉化為彈性勢能儲存在扭簧中，扭簧對人產生的反作用力通過胸板分散到整個胸部，直起腰時扭簧儲存的彈性勢能釋放對上半身形成助力，幫助人搬起重物。

圖1 整體設計圖

1.1.2 主要部件尺寸。根據中國成年人人體尺寸[1]，選取百分位數為90時的數據，可確定主要部件的尺寸。

1.1.2.1 胸部支撐由兩個豎桿和一個橫桿組成，橫桿長38cm，兩側豎桿長5cm。腿部支撐與胸部支撐結構相似，橫桿長38cm，兩側豎桿長10cm。

1.1.2.2 胸板尺寸可確定為長30cm，高32cm。

1.1.2.3 為了適應不同人的體型，腰帶的長度可調節，可供腰圍為70cm-100cm的人穿戴。

1.1.3 扭簧裝置是一個固定裝置，使彈性桿與扭簧的兩端相連。

1.2 外骨骼的材料

外骨骼的材料首先要能保證強度足夠，然后盡可能選擇輕的材料以實現外骨骼輕便易攜的要求。

1.2.1 彈性桿選擇了以鋁合金6061為材料，直徑為20mm、厚1mm的中空桿，這種材料強度中等、質量輕、價格便宜，適合用作胸部和腿部支撐材料。

1.2.2 肩部織帶選擇了不具備伸縮性的、由滌棉制成的編織帶。滌棉編織帶具有耐磨性強、觸感柔和、透氣性好等優點，及堅固耐用又能保持舒適[2]。

1.2.3 腰帶起固定扭簧裝置的作用，也選擇了堅固耐用、不具備伸縮性的滌棉制成的編織帶，同時增加卡扣來調節長度。

1.2.4 胸板是由一塊PVC塑性板、透氣網、海綿組合而成的。PVC塑性板的強度高、韌性好，切割成了適用于人體的形狀。海綿和透氣網覆蓋在塑性板的外側，穿戴起來更加舒適。

1.2.5 扭簧的材料采用彈簧鋼，具有優良的冶金質量、良好的表面質量以及精準的外形和尺寸。扭簧的規格需要經過力學分析計算后確定。

2 外骨骼的力學分析

2.1 搬運動作受力分析

對搬運時的人體矢狀面進行受力分析如圖2。

圖2 外骨骼受力分析

將人體彎腰的動作簡化為圖中藍色部分，胸部支撐簡化為圖中黃色部分。F1代表頭部重力，F2代表手臂及肩部的重力，F3代表軀干處的重力，F4為在搬運重物時髖關節提供的力，F5為搬運自身所能承受的最大重量的重物時豎脊肌受到的極限拉力，G為所搬重物的重力，L1—L6分別為F1—F6到O點的力臂，L為頭部到O點的長度距離，α是人前半身與豎直方向的夾角，β是沿彈性桿方向與豎直方向夾角。

2.2 外骨骼力學計算

2.2.1 未加助力裝置時O點產生的合力矩為0，列出關系式：

2.2.2 加入助力裝置后，多搬運重 的物體，列出關系式：

其中F為助力裝置提供的力，方向沿彈性桿；L7為力F距O點的力臂，大小約等于L4。

一個身高170cm、體重70kg的男性在彎腰搬運25kg的重物時髖關節可以提供的最大力矩為113N·m[3]。現要求使用助力裝置后，可以搬運30kg的重物，假設此時豎脊肌受到的拉力不變，外骨骼需提供能額外搬運5kg重物的力矩T，可得：

設定體重為70kg的人，α=45°，β-α=15°，L=820mm[4]，令L6≈L2=0.96Lsinα=0.69×820mm×sin45°=400.08mm；

代入關系式（3），最終計算得到T=20004N·mm，則該助力裝置需提供大小為20004N·mm的力矩。

則穿戴該裝置后能搬運30kg的重物，外骨骼要提供的力矩的大小為20004N·mm，單側外骨骼助力裝置需要提供的力矩的大小為10002N·mm，提升搬運極限為1.1倍，外骨骼需提供的力矩大小為22004N·mm，單側外骨骼助力裝置需要提供的力矩的大小為11002N·mm。

2.2.3 由以上計算結果可知扭簧的工作力矩為11002N，根據彈簧的工作情況，確定為第Ⅲ類彈簧，選用碳素彈簧鋼DM型制造，查得估取彈簧鋼絲直徑為5mm，取選擇旋轉比[5]。

計算曲度系數K1：

根據強度條件試計算彈簧鋼絲直徑：

則d=5mm符合要求。

彈簧的中徑D=Cd=7×5=35mm；

取E=200000MPa，扭簧的扭轉角，

則扭簧的工作圈數為：

最終確定選用規格為φ5×35×5的扭簧。

3 外骨骼的組裝與實驗

3.1 組裝過程

3.1.1 將扭簧裝入扭簧裝置，用長螺釘固定扭簧裝置的上下件。

3.1.2 將腰帶穿過扭簧裝置上的預留連接孔，用小螺釘固定扭簧裝置在腰帶上的位置。

3.1.3 用連接件在扭簧的預留連接處連接好扭簧裝置和彈性桿。

3.1.4 用彈性桿和連接件拼裝完成胸部支撐和腿部支撐。

3.1.5 將腰帶連接肩部織帶，再將胸板與肩部織帶連接起來。

3.1.6 最終組裝好后如圖3所示。

圖3 外骨骼實物圖

3.2 外骨骼省力實驗

3.2.1 實驗設計。為測試外骨骼是否能夠完成省力目標，我們設計了以下實驗。

3.2.1.1 心率對運動刺激的反應比較敏感，能夠比較確切地反映身體負荷的不同變化，綜合反映運動時體內生理狀況[6]。可以通過測量試驗者在穿戴和未穿外骨骼兩種不同的情況下，搬運重物前后心率的變化來反應外骨骼的助力效果。

3.2.1.2 該外骨骼的原理是在人彎腰起身的過程中提供助力，可以在穿戴和未穿戴外骨骼兩種情況下分別測量彎腰時人向上拉的力的極限，通過對這兩種情況下的實驗數據比較可以直觀的反應外骨骼的助力效果。

3.2.2 實驗過程。

3.2.2.1 選取三名體型不同的試驗者，測量試驗者未穿外骨骼時平靜的心率和來回搬運17kg的重物后的心率，再測量試驗者穿戴好外骨骼后平靜時的心率和來回搬運重物后的心率。

實驗結果如下：

表1 實驗數據1

可得到以下結論：

①平靜狀態下，穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的心率基本不變，可見穿戴外骨骼未對人體造成負擔。②穿戴外骨骼后搬運重物時的心率提升率明顯低于未穿外骨骼搬運重物時的心率提升率，可證明外骨骼的助力效果。

3.2.2.2 選取三名試驗者，將量程為500N的管狀拉力計的一端固定在水平面上，試驗者拉住另一端如圖4（圖中藍色部分為人體簡圖，黃色部分為管狀測力計），在這種彎腰狀態下，分別在穿和未穿外骨骼兩種情況下用力拉管狀測力計，直到管狀測力計的示數不再增加，可認為到達拉力極限位置，讀取數據并記錄（管狀測力計始終在量程內）。

圖4 拉管狀測力計實驗

實驗結果如下：

表2 實驗數據2

由實驗數據可看出，穿戴外骨骼后拉力極限明顯增加，在彎腰狀態下助力外骨骼在人體起身的方向上提供助力。

4 結束語

本文設計了一款基于扭簧工作的無源助力外骨骼，經實驗結果可證明，該助力外骨骼能為穿戴者提供助力。該外骨骼雖然在每次搬運動作中提供的助力較小，但能為需要長期重復搬運動作的工作者緩解疲勞。這款外骨骼無須電能，輕便易攜，選材造價便宜，未來發展前景十分廣闊。