基于扭簧工作的助力外骨骼设计和实验*

2023-01-31祝霄冰边煜富赵思旭王家珠陈慧敏

科学与信息化 2023年1期

祝霄冰边煜富赵思旭王家珠陈慧敏

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院北京 100083

1 外骨骼的方案设计

1.1 外骨骼的结构

1.1.1 整体结构。这款基于扭簧工作的无源腰部助力外骨骼主要由胸板、胸部支撑、扭簧装置、腿部支撑、肩部织带、腰带六部分组成，如图1。当人弯腰搬运重物时，人前半身的重力和重物的重力使腰部的扭簧发生形变，重力势能转化为弹性势能储存在扭簧中，扭簧对人产生的反作用力通过胸板分散到整个胸部，直起腰时扭簧储存的弹性势能释放对上半身形成助力，帮助人搬起重物。

图1 整体设计图

1.1.2 主要部件尺寸。根据中国成年人人体尺寸[1]，选取百分位数为90时的数据，可确定主要部件的尺寸。

1.1.2.1 胸部支撑由两个竖杆和一个横杆组成，横杆长38cm，两侧竖杆长5cm。腿部支撑与胸部支撑结构相似，横杆长38cm，两侧竖杆长10cm。

1.1.2.2 胸板尺寸可确定为长30cm，高32cm。

1.1.2.3 为了适应不同人的体型，腰带的长度可调节，可供腰围为70cm-100cm的人穿戴。

1.1.3 扭簧装置是一个固定装置，使弹性杆与扭簧的两端相连。

1.2 外骨骼的材料

外骨骼的材料首先要能保证强度足够，然后尽可能选择轻的材料以实现外骨骼轻便易携的要求。

1.2.1 弹性杆选择了以铝合金6061为材料，直径为20mm、厚1mm的中空杆，这种材料强度中等、质量轻、价格便宜，适合用作胸部和腿部支撑材料。

1.2.2 肩部织带选择了不具备伸缩性的、由涤棉制成的编织带。涤棉编织带具有耐磨性强、触感柔和、透气性好等优点，及坚固耐用又能保持舒适[2]。

1.2.3 腰带起固定扭簧装置的作用，也选择了坚固耐用、不具备伸缩性的涤棉制成的编织带，同时增加卡扣来调节长度。

1.2.4 胸板是由一块PVC塑性板、透气网、海绵组合而成的。PVC塑性板的强度高、韧性好，切割成了适用于人体的形状。海绵和透气网覆盖在塑性板的外侧，穿戴起来更加舒适。

1.2.5 扭簧的材料采用弹簧钢，具有优良的冶金质量、良好的表面质量以及精准的外形和尺寸。扭簧的规格需要经过力学分析计算后确定。

2 外骨骼的力学分析

2.1 搬运动作受力分析

对搬运时的人体矢状面进行受力分析如图2。

图2 外骨骼受力分析

将人体弯腰的动作简化为图中蓝色部分，胸部支撑简化为图中黄色部分。F1代表头部重力，F2代表手臂及肩部的重力，F3代表躯干处的重力，F4为在搬运重物时髋关节提供的力，F5为搬运自身所能承受的最大重量的重物时竖脊肌受到的极限拉力，G为所搬重物的重力，L1—L6分别为F1—F6到O点的力臂，L为头部到O点的长度距离，α是人前半身与竖直方向的夹角，β是沿弹性杆方向与竖直方向夹角。

2.2 外骨骼力学计算

2.2.1 未加助力装置时O点产生的合力矩为0，列出关系式：

2.2.2 加入助力装置后，多搬运重的物体，列出关系式：

其中F为助力装置提供的力，方向沿弹性杆；L7为力F距O点的力臂，大小约等于L4。

一个身高170cm、体重70kg的男性在弯腰搬运25kg的重物时髋关节可以提供的最大力矩为113N·m[3]。现要求使用助力装置后，可以搬运30kg的重物，假设此时竖脊肌受到的拉力不变，外骨骼需提供能额外搬运5kg重物的力矩T，可得：

设定体重为70kg的人，α=45°，β-α=15°，L=820mm[4]，令L6≈L2=0.96Lsinα=0.69×820mm×sin45°=400.08mm；

代入关系式（3），最终计算得到T=20004N·mm，则该助力装置需提供大小为20004N·mm的力矩。

则穿戴该装置后能搬运30kg的重物，外骨骼要提供的力矩的大小为20004N·mm，单侧外骨骼助力装置需要提供的力矩的大小为10002N·mm，提升搬运极限为1.1倍，外骨骼需提供的力矩大小为22004N·mm，单侧外骨骼助力装置需要提供的力矩的大小为11002N·mm。

2.2.3 由以上计算结果可知扭簧的工作力矩为11002N，根据弹簧的工作情况，确定为第Ⅲ类弹簧，选用碳素弹簧钢DM型制造，查得估取弹簧钢丝直径为5mm，取选择旋转比[5]。

计算曲度系数K1：

根据强度条件试计算弹簧钢丝直径：

则d=5mm符合要求。

弹簧的中径D=Cd=7×5=35mm；

取E=200000MPa，扭簧的扭转角，

则扭簧的工作圈数为：

最终确定选用规格为φ5×35×5的扭簧。

3 外骨骼的组装与实验

3.1 组装过程

3.1.1 将扭簧装入扭簧装置，用长螺钉固定扭簧装置的上下件。

3.1.2 将腰带穿过扭簧装置上的预留连接孔，用小螺钉固定扭簧装置在腰带上的位置。

3.1.3 用连接件在扭簧的预留连接处连接好扭簧装置和弹性杆。

3.1.4 用弹性杆和连接件拼装完成胸部支撑和腿部支撑。

3.1.5 将腰带连接肩部织带，再将胸板与肩部织带连接起来。

3.1.6 最终组装好后如图3所示。

图3 外骨骼实物图

3.2 外骨骼省力实验

3.2.1 实验设计。为测试外骨骼是否能够完成省力目标，我们设计了以下实验。

3.2.1.1 心率对运动刺激的反应比较敏感，能够比较确切地反映身体负荷的不同变化，综合反映运动时体内生理状况[6]。可以通过测量试验者在穿戴和未穿外骨骼两种不同的情况下，搬运重物前后心率的变化来反应外骨骼的助力效果。

3.2.1.2 该外骨骼的原理是在人弯腰起身的过程中提供助力，可以在穿戴和未穿戴外骨骼两种情况下分别测量弯腰时人向上拉的力的极限，通过对这两种情况下的实验数据比较可以直观的反应外骨骼的助力效果。

3.2.2 实验过程。

3.2.2.1 选取三名体型不同的试验者，测量试验者未穿外骨骼时平静的心率和来回搬运17kg的重物后的心率，再测量试验者穿戴好外骨骼后平静时的心率和来回搬运重物后的心率。

实验结果如下：

表1 实验数据1

可得到以下结论：

①平静状态下，穿戴外骨骼和未穿戴外骨骼的心率基本不变，可见穿戴外骨骼未对人体造成负担。②穿戴外骨骼后搬运重物时的心率提升率明显低于未穿外骨骼搬运重物时的心率提升率，可证明外骨骼的助力效果。

3.2.2.2 选取三名试验者，将量程为500N的管状拉力计的一端固定在水平面上，试验者拉住另一端如图4（图中蓝色部分为人体简图，黄色部分为管状测力计），在这种弯腰状态下，分别在穿和未穿外骨骼两种情况下用力拉管状测力计，直到管状测力计的示数不再增加，可认为到达拉力极限位置，读取数据并记录（管状测力计始终在量程内）。