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(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在飛機(jī)以及其他大型機(jī)械的裝配現(xiàn)場(chǎng)，由于零件外形和不同裝配工作臺(tái)高度的限制，工人們有時(shí)必須長(zhǎng)時(shí)間采用半蹲或者半蹲同時(shí)大角度后仰的姿勢(shì)完成零件的裝配，這會(huì)導(dǎo)致工人體能的無(wú)用消耗[1]，而助力外骨骼正是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。

GALINSKI D等在研究康復(fù)型外骨骼時(shí)指出，設(shè)計(jì)外骨骼應(yīng)有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：運(yùn)動(dòng)范圍以及寄生力的大小，這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是外骨骼設(shè)計(jì)時(shí)的難點(diǎn)[2]。外骨骼的設(shè)計(jì)核心在于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)，通過(guò)優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和慣性效應(yīng)來(lái)改善人-機(jī)的集成，運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)建模模擬骨骼系統(tǒng)和外骨骼動(dòng)力學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)外骨骼，使之能夠預(yù)測(cè)外骨骼所做的努力并應(yīng)用于人體[3]。

國(guó)外近年開(kāi)展了很多助力外骨骼的研究：美國(guó)麻省理工學(xué)院健康科學(xué)與技術(shù)部開(kāi)發(fā)了一種自主電池動(dòng)力外骨骼，該外骨骼能在腳底推離地面階段為踝關(guān)節(jié)提供助力，從而為負(fù)重人體減少體力消耗[4]；巴黎第六大學(xué)智能系統(tǒng)與機(jī)器人研究所提出了一種人類(lèi)膝關(guān)節(jié)的自調(diào)整外骨骼，可用于截癱患者的康復(fù)過(guò)程，該外骨骼的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩可被編程并且能自我調(diào)整來(lái)適應(yīng)人體的生理運(yùn)動(dòng)[5]；瑞典的一位工程學(xué)博士設(shè)計(jì)了一種名為輔助性膝關(guān)節(jié)支撐的動(dòng)力膝關(guān)節(jié)矯形器，是專(zhuān)為老年人和膝蓋功能障礙患者設(shè)計(jì)的，能實(shí)時(shí)評(píng)估人體步態(tài)作為矯形器控制器的輸入，以便在行走時(shí)為膝蓋關(guān)節(jié)提供轉(zhuǎn)矩支持[6]；美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的人類(lèi)工程與機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以一種特制的板載內(nèi)燃機(jī)提供電力和液壓兩種動(dòng)力，使用靈敏放大和混合輔助控制方案，設(shè)計(jì)了伯克利下肢外骨骼(BLEEX)[7]。國(guó)內(nèi)近些年來(lái)也展開(kāi)了對(duì)助力外骨骼的研究，如河海大學(xué)王義斌團(tuán)隊(duì)基于人體下肢結(jié)構(gòu)特征及行走的生物學(xué)特征,結(jié)合零點(diǎn)力矩理論進(jìn)行分析,對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立了外骨骼機(jī)器人的連桿模型,制作了下肢助力外骨骼樣機(jī)[8]。

在外骨骼的商業(yè)化應(yīng)用方面，奧迪、寶馬這兩個(gè)汽車(chē)制造公司近些年來(lái)使用的外骨骼產(chǎn)品Paexo和Skelex 360主要用于工人的架空作業(yè)，為人體的上肢和腰部提供了很好的助力效果；國(guó)外還有3款已經(jīng)商業(yè)化的下肢外骨骼：Noonee、LegX和Ofrees分別可以向用戶(hù)提供3種不同高度的裝配工位[9-10]。然而目前國(guó)內(nèi)的外骨骼研究主要集中于醫(yī)療、軍事領(lǐng)域，且大部分是用于為穿戴者行走提供助力的，專(zhuān)門(mén)用于為半蹲姿態(tài)提供助力的外骨骼相對(duì)較少，而且在這些用于為下肢姿態(tài)保持提供助力的外骨骼，無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)便、體積小巧、裝配高度改變靈活、為大角度后仰姿態(tài)提供助力這幾個(gè)條件[11]。因此，研究一款同時(shí)滿(mǎn)足上述條件的下肢姿態(tài)保持助力外骨骼就顯得尤為必要。

本文根據(jù)航空宇航制造過(guò)程中裝配工人的實(shí)際需求，設(shè)計(jì)了一款以人-機(jī)6桿機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)的、用于助力的下肢姿態(tài)保持外骨骼，并對(duì)機(jī)構(gòu)主要承力部件進(jìn)行受力分析、應(yīng)力校核和干涉檢查。

1 工作原理

1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

外骨骼椅作為一套可供人穿戴的體外設(shè)備，能在人屈膝至工作角度時(shí)給人體提供有力支撐，起到椅子的效果。一副性能優(yōu)良的外骨骼椅在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿(mǎn)足工作要求的同時(shí)還要求盡可能方便使用，質(zhì)量輕便，不會(huì)影響人的正常行走。

人體正常運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)有3個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)1個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)3個(gè)自由度，一條腿有7個(gè)自由度。而使用外骨骼椅子時(shí)，一條腿的7個(gè)自由度關(guān)節(jié)中僅2個(gè)關(guān)節(jié)的2個(gè)自由度處于激活狀態(tài)——踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在矢狀面的轉(zhuǎn)動(dòng)。

為了設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)動(dòng)靈活且支撐力強(qiáng)的外骨骼椅結(jié)構(gòu)，外骨骼椅選用6桿閉環(huán)機(jī)構(gòu)作為基本結(jié)構(gòu)框架，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如圖1所示。當(dāng)使用者下蹲進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，大小腿主板之間的夾角會(huì)隨之減小，其中小腿板上移動(dòng)副的滑塊會(huì)抵達(dá)滑軌的最末端，構(gòu)成三角形穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。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(dǎo)向地面。整體來(lái)看，外骨骼以椅子的形式給人體提供了半蹲時(shí)的支撐，以此緩解工人在工作過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間保持半蹲工位的肌肉疲勞。

1—大腿；2—膝關(guān)節(jié)；3—小腿；4—踝關(guān)節(jié)；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(dòng)力學(xué)計(jì)算分析

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖，以腳踝的轉(zhuǎn)動(dòng)副為原點(diǎn)建立了坐標(biāo)系來(lái)準(zhǔn)確描述各個(gè)關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，如圖2所示。將運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中關(guān)鍵的轉(zhuǎn)動(dòng)副用點(diǎn)標(biāo)注，可通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程中點(diǎn)的位置變化對(duì)外骨骼的使用過(guò)程進(jìn)行分析。

圖2 外骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)簡(jiǎn)圖

人體站立姿勢(shì)時(shí)，大小腿近似豎直，外骨骼處于非工作態(tài)，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(yīng)人的姿勢(shì)，外骨骼需將長(zhǎng)度延伸至與人腿等高。在坐標(biāo)系中可表示為

LAB+LBC=LAEcosγ+LEGcos(γ+β)+LOGcosθ

(1)

同時(shí)，若要不影響人的正常行走，當(dāng)腿部在走動(dòng)過(guò)程中小角度屈膝時(shí)，外骨骼椅中角要隨著角的變化而自由變動(dòng)。同時(shí)腳踝后外骨骼結(jié)構(gòu)不能接觸人體和地面，否則都會(huì)給使用者帶來(lái)不適。將上述條件轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)關(guān)系如下：

(2)

根據(jù)式(2)中的數(shù)學(xué)關(guān)系，β隨著LEF的增大而減小，LEF的變化在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中表現(xiàn)為小腿處移動(dòng)副滑塊的位置變化。

當(dāng)φ角持續(xù)減小，人進(jìn)入半蹲工位，外骨骼由非工作狀態(tài)進(jìn)入了工作狀態(tài)，如圖2(b)所示。工作狀態(tài)下F點(diǎn)抵達(dá)移動(dòng)副底端點(diǎn)Fbottom，G點(diǎn)接觸地面形成從人體經(jīng)外骨骼椅傳至地面的力流。將工作狀態(tài)下外骨骼和人腿抽象成桿件模型進(jìn)行靜力學(xué)分析，如圖3所示。

圖3 外骨骼工作狀態(tài)下的受力分析

各段桿的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)AE、LEG、LDF。ε與工角有關(guān)，當(dāng)人體處于工作姿態(tài)時(shí)，人體質(zhì)心與腳踝連線幾乎垂直于地面，此時(shí)有：

(3)

(4)

以總質(zhì)量G的一名成年男性為例計(jì)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(yuǎn)超過(guò)其他桿件，與連桿作為主要支撐結(jié)構(gòu)相一致，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)其兩端結(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核，確保足夠的強(qiáng)度。

為了滿(mǎn)足大多數(shù)半蹲工位的需求，外骨骼椅將針對(duì)屈膝90°～120°之間的工作位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，做到裝備時(shí)可以無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并保證工位調(diào)整之后能達(dá)到穩(wěn)定的助力效果。根據(jù)公式(2)中cosβ與LDE的關(guān)系，當(dāng)LDE增大時(shí)，工作狀態(tài)的β角減小;LDE減小時(shí)，工作狀態(tài)的β角增大。因此，只需找到合適的范圍，便可以通過(guò)改變?chǔ)陆堑拇笮∵M(jìn)而適應(yīng)工角φ的變化，如圖4所示。

圖4 工角變化示意圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)要求

從自由度實(shí)現(xiàn)、輕量化設(shè)計(jì)、穿戴便捷性等方面出發(fā)，下肢外骨骼椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：當(dāng)人體下蹲時(shí)，外骨骼能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)應(yīng)的自由度自鎖，從而維持蹲姿工位；在人體起身時(shí)，自鎖能夠消除，恢復(fù)站立或行走；下肢外骨骼質(zhì)量不宜過(guò)大，主要采用鋁合金、樹(shù)脂材料和高強(qiáng)度低密度的復(fù)合材料，單腿質(zhì)量控制在1 kg左右；外骨骼椅具有一定的折疊功能，通過(guò)簡(jiǎn)單的拆解就可以壓縮在手提箱中，滿(mǎn)足易攜帶的需求。

2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容

1)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

支撐結(jié)構(gòu)分為大腿主板，小腿主板和中間的連桿部分，是整個(gè)外骨骼的框架和主要承力部分。

大腿部位有髖關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)連接臀部和大腿，是人體坐下時(shí)與外界的主要支撐部位，相應(yīng)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(gòu)件，使人體大腿與外骨骼自然接觸又防止了大腿桿過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)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(shí)不會(huì)發(fā)生彎曲變形。

小腿支撐結(jié)構(gòu)在力的傳導(dǎo)中起著承上啟下的作用。該部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5(b)所示，主板結(jié)構(gòu)選用碳纖維板，充分發(fā)揮了碳纖維復(fù)合材料密度低強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。在主板背后添加兩碳纖維加強(qiáng)桿構(gòu)成肋結(jié)構(gòu)來(lái)增加主板的強(qiáng)度，并采用上下定位套和壓片把這些加強(qiáng)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(qiáng)度足夠的前提下盡可能減輕質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5(c)所示。碳纖維材料強(qiáng)度高、質(zhì)量輕，輔以定位套的約束防止工作時(shí)失穩(wěn)，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(chǎn)品設(shè)計(jì)選用綁帶與磁吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖5(d)所示。該處的設(shè)計(jì)是為了使用者方便穿戴。在安裝好有磁吸接口的腳部機(jī)構(gòu)，只需將腳踝連桿靠近腳部的側(cè)面，外骨骼椅的小腿板底部將不會(huì)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(jié)構(gòu)圖

2)運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

外骨骼的運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)是指進(jìn)行工位調(diào)節(jié)與滿(mǎn)足使用時(shí)自由度所需要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。為了滿(mǎn)足不同身高的穿戴者，調(diào)節(jié)不同的工作角度，需要在使用前或使用時(shí)對(duì)一些關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行位置上的調(diào)整。將坐墊兩側(cè)開(kāi)槽便可調(diào)節(jié)坐墊的前后位置。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中LDE與φ的關(guān)系，為了在穿戴時(shí)方便調(diào)節(jié)工角，可用快拆桿和工位調(diào)整塊的無(wú)級(jí)自鎖實(shí)現(xiàn)連桿上方鉸接孔的位置調(diào)節(jié)。軸承和適當(dāng)?shù)拈g隙配合可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)鉸接處的高靈活度。移動(dòng)副選用滑槽滑軌小摩擦的移動(dòng)結(jié)構(gòu)，確保使用者可以平滑蹲起。小腿部分的定位套可在安裝時(shí)設(shè)定Ftop和Fbottom位置，完成移動(dòng)副極限位置的預(yù)調(diào)節(jié)。

3)折疊功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)外骨骼設(shè)備短時(shí)間內(nèi)不使用或是需要長(zhǎng)距離搬運(yùn)郵寄時(shí)，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(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)將大小腿主板的對(duì)折，這樣整個(gè)外骨骼就能放置在一個(gè)窄小的空間內(nèi)，方便打包運(yùn)輸，如圖6所示。

圖6 外骨骼折疊狀態(tài)

2.3 應(yīng)力校核

根據(jù)外骨骼設(shè)計(jì)時(shí)載荷傳遞的桿件模型，參數(shù)分別取：LAE=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(zhì)量90 kg(體重 85 kg，手持 5 kg 鉚槍)計(jì)算，可根據(jù)式(5)-式(11)求出圖3中各力的值為：F1=494.41 N，F(xiàn)2=356.27 N，F(xiàn)3=1 371.78 N，F(xiàn)4=285.15 N，F(xiàn)5=641.43 N?？梢?jiàn)連桿兩端受力最大且結(jié)構(gòu)最脆弱，是需要校核強(qiáng)度的地方。在兩端的零件上添加適當(dāng)?shù)募s束和載荷之后可得到零件的應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。

圖7 部分零件的應(yīng)力分布云圖

數(shù)控加工中鋁合金的屈服強(qiáng)度為400 MPa左右，遠(yuǎn)高于圖中最大應(yīng)力79.6 MPa，因此外骨骼靜強(qiáng)度滿(mǎn)足要求且強(qiáng)度有余量承受沖擊。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)外骨骼進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

穿戴者從站立姿態(tài)到蹲下姿態(tài)仿真如圖8所示，圖中截取了人體在穿戴外骨骼時(shí)從膝蓋微曲到半蹲的幾個(gè)時(shí)刻圖?？梢钥吹剑谧詈笮⊥然瑝K觸底，小腿支撐桿與人體腳底平齊，此時(shí)外骨骼椅處于穩(wěn)定支撐狀態(tài)，人體處于蹲姿工況。外骨骼的運(yùn)動(dòng)仿真無(wú)誤，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖8 下蹲運(yùn)動(dòng)過(guò)程組圖

通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真可以得出，在任意時(shí)刻下外骨骼與人體耦合正常，尺寸設(shè)計(jì)合理，滿(mǎn)足理論靜態(tài)拓?fù)淠Ｐ?。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程無(wú)干涉，外骨骼工作情況達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期效果，接近真實(shí)工作情況，滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

外骨骼椅作為航空宇航裝配過(guò)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(jié)合的方法，先后進(jìn)行了工作原理分析、受力分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。最終外骨骼椅設(shè)計(jì)采用多連桿結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)不同體型使用者不同角度下蹲的助力功能，具有體積小、質(zhì)量輕、變換調(diào)節(jié)靈活、使用范圍廣的特點(diǎn)。腿墊部分采用鏤空結(jié)構(gòu)，在減輕質(zhì)量的同時(shí)還能起到透氣的效果。本次設(shè)計(jì)整體優(yōu)勢(shì)明顯，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝比較簡(jiǎn)單，但穿戴穩(wěn)定性還需進(jìn)一步加強(qiáng)。目前從宏觀形勢(shì)及政策上來(lái)看，我國(guó)外骨骼的研究前景主要是以自主設(shè)計(jì)制造為主，將滲透我國(guó)生產(chǎn)制造的各個(gè)方面，以后還需要針對(duì)不同的施工條件開(kāi)展更多研究。