人體腰部輔助外骨骼及控制方法的設計

□ 谷宏治 □ 王添鑫 □ 閆澤峰 □ 徐東亮 □ 雍 旭

1.西安向陽航天材料股份有限公司 西安 710075

2.武漢理工大學 機電工程學院 武漢 430070

3.華中科技大學 機械科學與工程學院 武漢 430074

4.中國科學院深圳先進技術研究院 廣東深圳 518055

1 設計背景

盡管現代工廠普遍使用機器人和與工作相關的自動化設備來搬運沉重的、超出人類能力的貨物,但是仍然有許多任務需要手工操作,尤其是在物流業、制造業和醫療行業。根據國家統計局的調查研究,從事物流工作的員工背痛的比例為84%,從事建筑工作的員工腰椎受壓的比例為75%,從事醫療工作的員工背痛的比例為67%,此外,有31%～45%從事重體力勞動的勞動者因為肌肉和肌腱損傷而退休[1]。由工作產生的員工個體腰椎損傷和職業病經濟補償,會影響職工的生活質量,增加企業的經濟成本,是一個重大的社會問題[2]。隨著腰肌勞損患者的增加,迫切需要開發一種輕便的腰肌輔助外骨骼,為從事繁重或重復性負重工作的勞動者提供幫助。

如今,許多學者和研究機構都在開發動力輔助裝置,以保護在制造、建筑、肉品包裝、護理方面經常進行手動操作和負重任務的勞動者。研究者根據需求設計出各種下背部輔助外骨骼,在軀干和大腿之間提供幫助,以減輕腰椎負荷。各種被動外骨骼系統被提出,這些系統使用彈性帶提供機械輔助,來搬運物體[3-7]。

針對需求,筆者設計了一種輕巧、可穿戴的動力型人體腰部輔助外骨骼機械結構,并對外骨骼的關鍵部位進行有限元分析。同時簡化人體舉重過程為坐標連桿模型,建立系統動力學模型,進而提出一種基于自適應算法的人體腰部輔助外骨骼控制方法。通過構建試驗,測量得到腰豎脊肌、胸豎脊肌、背闊肌的肌電信號,借助MATLAB工具對所提出的控制方法進行軌跡規劃試驗仿真,與實際搬運者軌跡進行對比,分析人機相容性。筆者所做研究有助于勞動者搬運工作時減小腰椎壓力,降低背部發生與工作相關的肌肉骨骼疾病的風險[8]。

2 人體腰部輔助外骨骼設計

人體腰部輔助外骨骼是一種輔助勞動者搬動重物的裝置,目的在于減小腰部用力,達到減少腰部損傷的效果。為了滿足人體穿戴方便的要求,同時符合人體形態,保證在穿戴外骨骼時不會妨礙人體的正常運動,對人體腰部輔助外骨骼的腰部、髖關節、大腿進行了設計,結構如圖1所示。

圖1 人體腰部輔助外骨骼結構

腰部設計為凹體形狀,使勞動者彎腰時與弧形的設計面貼合更加緊密,采取中間凹形、兩邊有支撐板的形式,限制左右自由度。將電機驅動器、電池系統等模塊安裝于髖關節。在勞動者搬運重物的過程中,除了需要承受物體的重力,還要承受外骨骼的重力,這對長時間穿戴外骨骼的勞動者而言是一個負擔。對此,將人體腰部輔助外骨骼的質量定為6 kg。通常勞動者在搬運重物時,髖關節上的扭矩為70 N·m。為了在勞動者搬運重物時有明顯的輔助性效果,在兩個髖關節上的持續扭矩設定為70 N·m,這樣可以加強髖關節的伸屈。勞動者直立時,髖關節處的運動角度設定為向前120°,向后30°,可以滿足勞動者正常步行和搬運重物的要求。髖關節設置上下伸縮功能,配合腰部的調節機制,可以滿足不同勞動者的穿戴需求。

3 有限元分析

人體腰部輔助外骨骼在輔助勞動者搬運重物時,工作時間較長,加之大腿連接桿和腰部支撐板與電機直接連接,末端在電機工作的情況下會發生較大彎曲變形存在風險。為了確保長時間工作安全,需要對腰部、髖關節進行力學分析。設定大腿連接處一端受到的扭矩為70 N·m,將大腿另一端連接桿固定住,利用有限元軟件對腰部和髖關節結構進行有限元分析,結果分別如圖2、圖3所示。

圖2 腰部有限元分析結果

圖3 髖關節有限元分析結果

由有限元分析結果可以看到,腰部的最大應力為145.58 MPa,髖關節的最大應力為126.53 MPa。此外,大腿的最大應力為139.58 MPa。

4 動態模型分析

針對穿戴人體腰部輔助外骨骼的勞動者進行搬運重物的運動過程,建立人體腰部輔助外骨骼動力學模型,以進一步精準控制外骨骼運動。采用歐拉拉格朗日方程建立人體腰部輔助外骨骼穿戴動力學模型,如圖4所示。l1為腰部長度,m1為腰部質量,θ1為腰椎相對水平x軸逆時針轉動的角度,l2為軀干長度,m2為脖頸以下的質量,θ2為手臂相對腰椎轉動的角度,r3為手和手臂長度,m3為手和手臂質量,l3為前臂長度,m4為重物質量,l5為大腿長度,m5為大腿質量,l6為小腿長度,m6為小腿質量,l7為腳長度,m7為腳質量。

圖4 人體腰部輔助外骨骼穿戴動力學模型

(1)

(2)

簡化的人體腰部輔助外骨骼的質心位置矢量、質心速度矢量、質心角速度矢量分別為:

(5)

式中:r1為原點到腰部質心的距離。

(8)

式中:r2為原點到脖頸以下質心的距離。

(11)

式中:r3為原點到手和手臂質心的距離。

(14)

構件的質心速度為vi,圍繞質心的慣性矩為Ji,原點所在平面為重力勢能零勢能面。若不考慮部件與運動副之間的彈性,則整個機構的總動能E和勢能V分別為:

(15)

V=∑(migi0Py)

(16)

可以得到:

(17)

另外有:

(18)

進而得到:

(19)

在搬運重物的過程中,物體總是豎直向下的,其幾何形狀為:

θ2= π/2 +θ1

(20)

式(20)代入式(19),得:

(21)

5 控制方法

勞動者搬運重物的過程實質為從俯身狀態雙手托著重物提升到背部直立的過程[11]。因為每次搬動的重物質量不同,勞動者的高度也不一樣,所以需要根據角度來決定初始位置和最終位置。由傳感器獲得初始角度,終點的位置為直立狀態,角度固定。人體腰部輔助外骨骼的運動軌跡從初始狀態到最終狀態必須是平滑的,并且為了在彎腰和直立時保持平穩狀態,人體腰部輔助外骨骼在開始和結束動作時加速度與速度都必須為0。運動軌跡是一個五次多項式函數,具有特定運動規則,為:

θ(t)=a1t5+b1t4+c1t3+d1t2+e1t+f1

(22)

式中:a1、b1、c1、d1、e1為因數;t為時間。

不考慮摩擦等干擾,根據上述動力學方程,可以得到人體腰部輔助外骨骼的動力學方程,為:

(23)

將m的期望值設為me,即機器人的期望軌跡。

在人體腰部輔助外骨骼的輔助過程中,自適應控制器在每個關節處提供一個n×1的輔助力矩或力M。M可以通過基于模型的自適應控制算法來確定[12],定義為:

LDm

(24)

式中:LS、LD為時變正定矩陣。

限制為滑動面,有:

(25)

可以消除不必要的穩態位置誤差分數。λ為常數矩陣,特征值位于右半復平面上,并且有:

λ=LSLD-1

(26)

引入新的量mx,作為虛擬參考軌跡,有:

(27)

(28)

由此,控制策略可以改寫為:

(29)

(30)

于是有:

(31)

G為n×n階正定增益矩陣,根據總體誤差確定控制器的自適應速率。利用高斯徑向基函數,確定適應不同勞動者的回歸矩陣Y。通過式(32)選取Y,δ成為決定機器人驅動力矩或力M的前饋項。

(32)

(33)

根據控制策略,繪制控件框圖,如圖5所示。

圖5 控件框圖

6 運動軌跡規劃

根據上述計算得到控制策略,通過編譯程序實現對人體腰部輔助外骨骼的軌跡規劃。首先確定人體腰部輔助外骨骼的行動參數,并且參照人體特征各個部位的50%分位數進行仿真。行動參數仿真值見表1。

表1 行動參數仿真值

結合上述控制策略,通過MATLAB軟件編譯程序,對人體腰部輔助外骨骼運動軌跡進行仿真,如圖6所示。初始狀態相對水平面角度為30°,抬起重物后相對水平面角度為90°。重物運動軌跡如圖7所示。可以看到重物的運動軌跡為一條直線,并且提升高度為0.53 m。應用所提出的控制策略,使人體腰部輔助外骨骼運動軌跡穩定,并且沒有曲線走向,保證了勞動者在搬用重物過程中的姿態平穩。

圖6 人體腰部輔助外骨骼運動軌跡

圖7 重物運動軌跡

為了進一步觀察運動情況,對人體腰部輔助外骨骼基本運動特征進行仿真,如圖8所示。

圖8 人體腰部輔助外骨骼運動特征仿真

初始狀態和抬起重物后,角速度和角加速度均為0,保證運動過程中過渡平穩,避免剛性碰撞,也減少電機的損傷。

7 試驗

7.1 試驗設備

人的背部運動有超過29種肌肉參與[14]。直立脊柱是使脊柱直立的最重要部位之一,位于脊柱的兩側,連接頭部和尾骨,主要由脊柱和經肌組成。臨床研究發現,腰背痛多由椎體肌肉張力引起。肌電圖振幅可以反映肌肉的活動,選擇豎脊肌作為評估對象。

用于記錄肌電信號的設備采樣率為1 000 Hz,有八個通道和一個參考電極。小型無線適配器連接到計算機主機的通用串行點線接口,數據傳輸通過無線保真通信實現。在受試者前方放置一個標準帶手孔的儲物箱,尺寸為53 mm×39mm×30 mm。試驗中使用六種不同質量的重物,分別為0、5 kg、10 kg、15 kg、20 kg、25 kg,分析受試者背部左右兩側三塊豎脊肌的肌電信號。豎脊肌如圖9所示,分別為L3椎層間4 cm腰豎脊肌、T9椎層間4 cm胸豎脊肌、背闊肌。受試者背部電極位置如圖10所示。

圖9 豎脊肌

圖10 受試者背部電極位置

7.2 試驗過程

為了得到實際重物搬運過程中的運動特征,選擇10名無腰椎疾病史或脊柱疾病史的受試者,平均年齡為25歲,體重為75 kg,身高為175 cm,自愿參與研究,進行搬運重物試驗。受試者開始保持弓腰姿勢,然后開始慢慢向后,以彎腰姿勢舉起重物。舉起重物后,受試者雙腿直立,保持提重物5～8 s時間。試驗過程如圖11所示。

圖11 試驗過程

7.3 試驗結果

10名受試者參與試驗,分別記錄穿戴和不穿戴人體腰部輔助外骨骼時下背部腰豎脊肌、胸豎脊肌、背闊肌的肌電信號。經過帶寬為10～500 Hz的濾波等肌電圖信號處理,計算得到在一個提升周期內的積分肌電圖值[15-16]。將人體腰部輔助外骨骼的輔助效率η定義為:

η=1-Tη/T

(34)

式中:Tη為受試者穿戴人體腰部輔助外骨骼負重時的肌電圖值;T為受試者不穿戴人體腰部輔助外骨骼負重時的肌電圖值。

根據初步統計分析,左右肌肉的肌電圖信號沒有明顯差異,因此將左右肌肉的肌電圖數據匯總,然后取平均值。試驗肌電圖如圖12所示。

圖12 試驗肌電圖

試驗數據統計見表2,可以看出在人體腰部輔助外骨骼的幫助下,明顯減少了豎脊肌的活動。當受試者穿戴人體腰部輔助外骨骼搬運重物時,腰豎脊肌、胸豎脊肌、背闊肌的平均積分肌電圖值依次減小34.5%,33.9%、24.2%。當受試者穿戴人體腰部輔助外骨骼搬運相同質量的重物時,腰豎脊肌和胸豎脊肌的積分肌電圖值減小速度要比背闊肌大。隨著重物質量的增大,豎脊肌的肌肉活動逐漸增加。試驗結果表明,人體腰部輔助外骨骼可以減輕肌肉疲勞,幫助減輕勞動者長期工作的負擔和背部疼痛,并減少腰肌勞損。

表2 試驗數據統計

8 運動特征對比

人體腰部輔助外骨骼運動特征對比如圖13所示。人體腰部輔助外骨骼可以根據不同勞動者的初始狀態生成角度平滑的軌跡,并根據所提出的控制算法完成電機運動。角速度、角加速度初始狀態和抬起重物后的仿真、實際值都是0,對比結果表明,基于自適應控制算法的運動軌跡能夠滿足理論要求,避免運動過程中的沖擊。

圖13 人體腰部輔助外骨骼運動特征對比

9 結束語

筆者對人體腰部輔助外骨骼進行機械結構設計,對外骨骼的關鍵部位進行有限元分析,為外骨骼選材提供了理論依據。

將人體抬起重物過程簡化為坐標連桿模型,采用歐拉拉格朗日方程建立系統動力學模型,為設計控制方法提供了理論基礎。

針對建立的動力學模型,提出一種基于自適應算法的人體腰部輔助外骨骼控制方法。

通過試驗,穿戴人體腰部輔助外骨骼搬運25 kg重物,與不穿戴相比,對于腰豎脊肌、胸豎脊肌、背闊肌輔助效率依次為37.3%～50.3%、35.6%～48.8%、26.7%～38.3%。

試驗表明,穿戴人體腰部輔助外骨骼能夠有效減輕勞動者的肌肉疲勞。

借助MATLAB軟件強大的數學分析能力,對提出的控制方法進行軌跡規劃,并通過受試者搬運重物過程與仿真結果對比,確認具有良好的人機相容性。