方法、设计和评估的外骨骼解除负载原位

文摘

由于不清楚应用场景和外骨骼的受力分析,研究存在一个差距外骨骼的设计。本文提出一种外骨骼的设计方法和实现起重原位负载的具体场景。首先,升降运动过程及其数据是基于收集的三维动作捕捉系统和测功器跑步机系统。然后,转矩的变化,得到了各关节的运动从数据分析,在此基础上积极援助模式上肢和下肢被动援助模式。在这个设计,液压缸的肩膀援助,手肘援助的电动机,和春天下肢援助进行计算,并根据各关节的运动和转矩。最后,主观和客观的方法被用来评估外骨骼基于五个试验参与者的结果,和整个的平均耗氧量测试通过提高负载十倍的援助被发现减少了9.45%,相比之下,在缺乏外骨骼。

1。介绍

互联网技术的快速发展,不仅介绍了方便日常生活,但也促进了物流行业的扩张。机器人已经被应用在一些物流任务,如处理,抓住,与常规的形状和放置物品;然而,机器人不能取代人类的处理货物与不确定的形状,大小或重量。在中国有近5000万物流员工,许多(< 40岁)在高强度下工作条件没有肢体保护遭受腱鞘炎、腰椎间盘突出症,或其他疾病。因此,有必要提供保护,以确保健康的四肢和关节的工人。

外骨骼是一个高度对人体的功能器件协助特定关节保护或加强身体。根据产品的不同应用场景,外骨骼可以一般分为康复模式1- - - - - -5)、工业(6),和军事7)应用程序;尤其是工业和军事应用,外骨骼补充正常的人类能力进行提升。一般来说,积极协助和被动援助(8)是两种常见的驾驶模式,积极协助模式可以进一步分为液压(9),电机驱动的(10,11),和气动12,13)模式。液压或气动驱动模式的电力系统引入附加载荷对身体由于大量;相比之下,一个发动机可以放在后面的身体。组件在肢体援助,帮助上肢(肩14],手肘[15),和手腕16关节),腰部关节(17),下肢(臀部18],膝盖[19),和脚踝20.关节)。此外,一些外骨骼,称为exosuit,没有刚架(21]。exosuit是由发动机驱动和鲍登电缆固定在电机,并迫使可以转移到任何肢体关节由鲍登电缆(22]。从控制方法的角度,肌电图(EMG)信号(23)或结束力/力矩检测(24通常被视为控制输入。有关外骨骼评估,穿戴者的主观感受和客观测试的结果已经说明了评价一个被动的外骨骼(25]。

从前面的评论,很明显有许多结构、驱动和控制方式,可以采用外骨骼的设计。然而,外骨骼不是通用设备;无知的工作场景或工作负载的影响对人类的四肢将导致外骨骼设计的不适用。例如,康复外骨骼通常是面向患者身体残疾,依赖提供固定的外骨骼运动进行康复治疗和物理治疗四肢。因此,康复外骨骼的重点通常放在特定关节的运动。穿的可移植性和重量是外骨骼产品的两个方面。相比之下,对于工业或物流应用程序,目标是正常的人一定的劳动强度。在这种情况下,舒适的穿着几乎一样重要援助的有效性;否则,不友好human-exoskeleton交互将直接影响佩戴者的工作效率。此外,外骨骼的设计需要分析,以确定哪些关节或四肢需要援助的基础上,应用场景中,忽略了传统的研究。

有更少的外骨骼研究用于行业或物流应用程序比外骨骼用于康复。李等人。26)提出了一个活跃的双臂外骨骼,可以适应各种环境通过调整力和阻抗适应,如起重负荷或康复训练。Yu et al。27插图的上肢外骨骼耐火材料施工,可以用来降低运营商的物理疲劳造成长时间的处理高负载;然而,这种活跃的外骨骼的缺陷更大的自重和不适当的。•库普曼et al。28)提出了一个光和方便的外骨骼腰保护物流工作。Dinh et al。21说明一个exosuit减少肌肉力气就能提升48.3%的1公斤。Picchiotti et al。17]两个商用姿势帮助外骨骼和报道,相比没有显著的生物力学好处关于关节弯曲角度和武器提升给定负荷。很明显,虽然被动外骨骼或exosuits特点是改善人机交互,它们不适合大负载。因此,重要的是要考虑应用场景和人机交互设计基地。

本研究提出了一个完整的外骨骼设计方法是面向包装和提升物流工作。本研究的其余部分组织如下。部分2介绍了设计和建议下的外骨骼场景的分析过程。部分3说明了动作捕捉和数据分析对整个肢体的运动,在此基础上得到了关节的运动学和转矩。部分4报告外骨骼的计算和设计,由肘、肩,和下肢援助,以及电气系统。部分5说明了原型和实验,结果验证了设计过程的有效性。

2。外骨骼设计和分析过程

上一节中提到的,外骨骼不是通用产品;因此,工作环境,佩戴者的运动,帮助性能必须作为设计输入。设计和分析过程见图1。

根据图,外骨骼的设计过程可以分为以下五个步骤:输入的工作条件,动作捕捉,数据分析,系统设计和测试评估。首先,工作条件的输入要求的分析外骨骼的应用场景,比如工作环境,加载配置文件,和人类的特点,基于外骨骼设计的误解是可以避免的。第二,关节力矩和运动应该测试基于三维动作捕捉设备,从力矩的值,角,和人类的四肢的肌肉活动。第三,关节转矩数据可以指导关节的最大容量和选择对于外骨骼设计,和数据的联合运动可以用来确定速度和运动范围的四肢。第四,能源和驱动系统的设计是基于关节力矩数据和援助效率。此外,结构和机械系统的设计是基于关节运动数据。然后,外骨骼原型系统组装基于结构和电气系统。最后,客观测试的结果和主观感受外骨骼原型可以被评估。特别是原型的援助效率应该比设计值,根据系统设计的优化。

3所示。动作捕捉和数据分析提升负载原位

3.1。实验场景

本研究考虑的场景是一个物流分拣操作符从地上举起一个负载到一定高度在一个固定的操作区域。负载质量设置为20公斤,提升高度,分别设置为1米和1.5米。获得清晰和完整的数据在提升过程中,三维运动捕捉系统采用()表示就是Phasespace、冲动X2E收集数据的升降运动全身各关节;36个标记点被困在佩戴者的身体,和10个摄像头捕获的运动。此外,测力计跑步机系统(Bertec健康,FITITC-11-20L)被用来获得足底力量(见图2和3)。然后,OpenSim (V4.0)软件被用来收集数据的运动和足底的力量,在此基础上的运动四肢和关节的力矩测试的参与者。

3.2。实验数据分析

图3描述了实验场景的测试。收集数据的三维动作捕捉系统和测功器跑步机系统确定的运动四肢和关节的力矩的参与者,在数据被导入到OpenSim软件恢复参与者的运动和确定的运动变化过程,如图4。这个过程主要是验证的有效性进行三维运动捕捉系统的数据收集和提供支持的逆运动学解关节力矩在随后的步骤。

图5揭示了高度变化的解除负载收集的三维动作捕捉系统,满足设计要求。图6介绍了臀部的角度的变化,膝盖,脚踝,肩膀和手肘关节扩展/弯曲自由度(自由度)解除负载。第一个提升阶段从地面1米的高度,第二个起重高度的阶段是1米到1.5米的高度。如图6,在第一阶段,下肢的参与者逐渐改变弯曲状态直立状态;具体来说,髋关节改变从90°- -10°,膝关节改变从-130°到0°,和踝关节从32°7°。在第二次提升阶段,几乎没有任何变化的下肢关节。对于上肢,肩关节的角度90°时,参与者抓起地面上的负载;这是减少到50°后第一个提升阶段,并最终增加到75°第二次提升阶段。肘关节的角度变化不大在第一次提升阶段,从10°增加到55°在第二次提升阶段。另外,肢体关节的旋转速度得到基于图6。在第一个提升阶段,平均速度的臀部、膝盖,和脚踝关节被发现是75°/ s, 76.47°/ s,分别和18.82°/ s。对于上肢,肘部和肩膀关节的旋转速度在第二提升阶段提出了更快的变化比在第一个提升阶段,和最大旋转速度约40.9°/ s和41.7°/ s,分别。这些运动的四肢和关节值提供的基础结构和外骨骼系统的系统设计。

作为提升原位主要是完成在矢状面,扩展/弯曲各关节的自由度为提升提供了更多的支持。如图7,弯曲景深的扭矩值远高于正向和旋转的自由度。因此,本文在分析扩展/弯曲的每个关节的自由度。

图8介绍了转矩变化的臀部、膝盖、脚踝,肩膀和手肘关节扩展/解除过程中弯曲景深。下肢的关节转矩振幅是高于上肢关节。此外,上肢关节的力矩值是正因为转矩的旋转方向作用于肘部和肩膀是顺时针方向;具体来说,肩膀背后的背阔肌主要负责其弯曲,和上肢的二头肌的肌肉主要负责手肘弯曲。对于下肢,自由度的方向的髋关节和踝关节是扩展在整个提升的过程,和转矩的方向由相应的肌肉关节是逆时针方向;因此,他们的扭矩值是负的。关于膝盖,扭矩助攻扩展景深联合的提升阶段,这是顺时针方向的,所以是正价值。随后,负值的值改变时因为景深变化的方向弯曲,从而改变关节力矩的方向逆时针方向。

关于扭矩振幅,髋关节的值范围从-95到-70纳米,膝关节的改变从40到-70海里,与踝关节范围从-45到-10海里在整个提升阶段。在第一次提升阶段,肩关节的扭矩被发现从17岁增加到30 Nm和肘关节从0增加到10纳米。在第二次提升阶段,肩关节的扭矩被发现不断增加30 Nm近50纳米,而转矩的肘关节从10增加到18海里,然后到达峰值后逐渐下降;这发生,因为参与者,接近的负载和肘关节上的负载逐渐减少而肩关节的角度增加。

运动和扭矩的分析数据显示关节的参与者,以下可以得出结论:(1)关节的运动学角度变化可以作为计算的基础的扩展价值外骨骼援助系统的执行机构;(2)关节的旋转速度代表了致动器的基本移动速度;(3)关节的运动和扭矩数据可以作为选择的基础能源的外骨骼援助系统;和(4)的扭矩和运动上、下肢的关节可以用作外骨骼的设计的基础结构和援助模式。下一节描述了外骨骼系统的设计基于前面的分析。

4所示。外骨骼系统设计

根据运动学和关节力矩的分析在特定场景中提出了在前面的小节中,外骨骼援助模式,四肢和关节结构,相应的电气系统的设计在这一节中。

4.1。外骨骼协助模式

根据各关节的力矩数据获得的部分3,在下肢各关节力矩振幅高于上肢各关节。此外,存在显著差异驱动各关节的肌肉群(29日,30.),下肢的体积远远大于上肢。考虑到踝关节熊一个小转矩提升负载时,本文只关注分析的肩,肘,髋关节和膝关节。

驱动各关节的肌肉体积平均的下肢明显高于驱动器在上肢各关节。此外,由于上半身的严重性,下肢的关节的弯曲景深发现需要相对较少的努力比扩展景深参与者试图蹲的时候,所以的下肢外骨骼可以设计为被动弹簧辅助设备。因此,下肢必须克服一定的弹簧的张力,也可以用作预加载时解除负载。相比之下,上肢必须提供积极协助由于小肌肉体积和沉重的负担强加在上肢。

从援助模式的角度,上肢有7自由度。先前的研究[31日,32)通常试图设置的自由度上肢尽可能高,这不仅会增加外骨骼的质量还介绍姿态检测和控制困难;此外,这很难保证外骨骼的援助的有效性。因此,在这项研究中,援助模式设计的具体场景解除负载原位。基于数据分析在前一节中进行的,在肩部和肘部关节的力量主要集中在弯曲景深;因此,外骨骼的援助也应该强调弯曲的景深。此外,由于原位负载的提升,推动能源系统的外骨骼可以固定在佩戴者的身体,这可以减少能源系统的重量造成的负担。根据前面的分析,外骨骼的设计如图9。

从图可以看出9的下肢外骨骼设计为被动春天援助。春天是连接到由鲍登行髋关节和膝关节的关节,可以灵活地转移。此外,弹簧延长佩戴者蹲抓住负载时,它提供了预加载的髋关节和膝关节的延伸。肘关节的帮助下一个电机驱动的鲍登,和肩关节是辅助液压缸推动上臂。有2自由度上肢,这种结构模式的优点是它避免了复杂的景深肩关节的配件,和能源系统设置在体外。的具体过程提升行动是呈现在图10。

从数据可以看出10 ()和10 (b)当佩戴者蹲坐,开始解除负载,下肢关节的弯曲状态,和髋关节和膝关节关节必须克服弹簧的张力,这是固定的佩戴者。此外,肩关节也处于弯曲状态的负载,然后液压缸需要扩展以支持上臂。如数据所示10 (b)和10 (c)弹簧预紧,作用于髋关节和膝关节关节转换能力共同扩展和帮助使用者完成行动正直的人。数据10 (c)和10 (d)表明,下肢保持竖直,肘部和肩膀关节开始flex的协助下电机驱动的鲍登线和液压cylinder-driven液压能源系统,分别,从而完成整个升降运动过程。

以下部分提供的细节设计和参数计算基于援助模式,每个关节的运动数据。

4.2。肘关节设计协助

基于的物理测量参与者,上臂的长度设置为 前臂的长度设置为 。其他参数设置根据锚的位置鲍登行上肢,即 , , , ,和 。

基于获得的电机参数的结构模式和受力分析。根据图6的角度和扭矩肘关节在第一提升阶段变化不大;在第二提升阶段,然而,肘关节的角度从10°55°,增加扭矩肘关节的力量也从10增加到18海里。因此,肘关节最大扭矩的计算根据第二提升阶段。肘关节援助是基于图的计算11(定义的所有符号),如下:

根据方程(1), ,可以计算如下:

然后,协助扭矩作用于肘关节由鲍登线计算如下:

负载转矩作用于肘关节定义如下:

的张力鲍登的线在静态或在慢镜头可以计算基于方程(3)和方程(4)。

在这项研究中,负载被设置为20公斤,传输效率motor-reducer-rotor-Bowden线系统如图12设置为60%。半径转子是50毫米。因此,输出转矩最后一只胳膊的减速器是由方程(5),变异过程呈现在图13。

根据图6的时间2^nd提升阶段从2.1到3.8年代(参与者在一个静态3.8 s)后,由肘部的弯曲(2.1 ~ 3.2 s)和肩膀弯曲(3.2 ~ 3.8)。此外,使用同时手肘和肩膀屈曲模拟图13。我们将课程( )位置( )~ ( )~ ( ),和课程( )位置( )~ ( ),如图所示13。

图13展品输出扭矩的计算结果与不同的弯曲的课程。在课程( ),最大转矩时被发现33海里屈肘角增加到55°,当然是比( )。然而,所需的最大转矩电动机减速器被认为是33海里。此外,肘关节的最大转速被发现40.9°/ s,计算部分3.2。线速度的钢丝绳鲍登线应该大于86.4毫米/秒,所以它的转速应不少于0.28 r / s。根据转矩和速度计算,MAXON伺服电机RE65被选中作为肘关节的运动援助,GP81A模型被选为减速机,和一个十项全能线(直径:1.5毫米)被选为鲍登线。

4.3。肩关节设计协助

肩关节是由液压缸推动。液压能源系统的压力被选为16 MPa。因此,计算液压缸的大小和中风和选择如下基于运动学和动力学的上肢。根据液压缸的初始状态图所示11,之间的距离是两种情况下的计算如下:

当穿着者蹲坐,开始解除负载,液压缸最大伸长,和之间的距离如下:两种情况下的

因此,可以得出结论,液压缸的扩展应该至少206.5毫米。

液压缸的距离下支点肩关节如下:

根据第二个提升阶段,一些参数定义如下:(我)手臂的负荷和协助的手臂力量如下: (2)长度第二液压缸的提升阶段如下: (3)这个角上臂和液压缸的上部支点如下:

根据图14的角下降从89.8°- 67°第二提升阶段,即依据液压缸的力的计算。(iv)液压缸输出:

工作效率液压系统设置为50%,和输出力液压缸的一只胳膊是根据数据来计算的11 (c)和11 (d),如下所示:

如果压力液压系统是16 MPa,内径的计算液压缸的如下:

两个不同的提升课程也被计算。液压缸的最大力量发生在课程(屈肘 ),当然其最大值大于( )。在基于图的计算和比较15液压缸的活塞的直径不应小于10.9毫米,和12毫米被选为设计。此外,的最大转速肩关节被发现41.7°/ s,计算部分3.2。液压缸的线速度应该大于106.7毫米/秒。然后,基于扩展的速度液压缸和活塞的直径,流不应小于0.72升/分钟。因此,液压系统的设计可以根据计算获得。

4.4。设计的下肢援助

根据部分中给出的结构模式4.1,被动的援助模式采用髋关节和膝关节的关节,春天和钢丝绳系列主要是用于援助。如图16,每个钢丝绳的一端固定在髋关节和膝关节关节,分别和另一边被滑轮连接弹簧。根据图8克服扭矩,最大的髋关节和膝关节关节前协助阶段接近95 Nm和40 Nm),分别。弹簧的参数选择的髋关节和膝关节关节报道在表1,弹簧可以分别提供796 N和280 N的力扩展的关节。此外,鲍登的最大力量转移行髋关节和膝关节关节,分别为47.76和19.6 Nm,导致被动援助效率接近50%。

4.5。电气系统的设计

外骨骼的电气系统包括一个传感器单元、核心处理单元和执行单元。其中,传感器单元主要由内部计量单位(艾莫斯)和编码器。艾莫斯排列沿着大腿和小腿的矢状面。编码器是放置在髋关节和膝关节。艾莫斯和编码器主要是用于判断下肢的姿势,上肢援助提供控制标准。倪sbrio - 9651核心处理单元采用作为底部单元数据采集和信息处理和虚拟仪器软件被选为上层计算机的开发环境。执行单元主要是分为两个部分,即电机驱动的鲍登行肘关节的援助和液压cylinder-driven上臂肩关节的援助。一个MAXON EPOS4 50/15模块采用电动机驱动,而MAXON 模块采用了 。一个小的液压站( )采用液压系统。具体的系统组成如图17。

5。测试和评估的外骨骼

5.1。原型的穿着外骨骼

基于设计、计算和模型选择的外骨骼系统在前一节中所描述的,一个原型的外骨骼是组装的,如图18。原型可以适应使用者的高度170 - 185 cm通过调整上、下肢的长度。此外,外骨骼的重量只有6.8公斤,作为原型的能源供应是固定在身体之外。此外,shoulder-assisting装置由液压缸驱动放置上臂背面;因此,没有干扰的肩膀的动作,human-exoskeleton交互友好。

关于样机的控制,因为下肢是由被动的力量,上肢的姿态控制策略也可以提供的IMU检测由于上、下肢的运动相关性在第一提升阶段。在第二个提升阶段,上肢的驱动 和基于位置控制的液压缸。对于不同起重高度的控制,控制参数必须根据实际情况更新需求。

5.2。测试评价的外骨骼

外骨骼系统的测试评估进行验证其有效性和客观评价和主观评价。关于客观的评估,一般来说,EMG信号测试参与者穿着外骨骼系统的单一关节协助收集,然后转化为肌肉激活信息作为评价标准。相反,针对外骨骼系统全身援助,耗氧量数据收集和特点是全面和客观的评价。因此,在本研究中,采用测试参与者的耗氧量的客观评价标准。关于主观评估,参与者通常要求填写调查问卷;这种方法也是目前研究中采用。

本研究通过华北科技大学的伦理委员会。受试者签署知情同意的形式参与这项研究。关于五个参与者报告的信息表2。关于评估协议,五个参与者每个解除了15公斤负荷从地面到10倍的高度1.5米,和没有外骨骼,和一个呼吸器(cosm K5)是用来记录他们的耗氧量在每个升降的负载。此外,每个参与者的静止的耗氧量条件收集。然后,在耗氧量的差异升降模式和静态得到和被客观评价数据。主观评价,每一个参与者都填写了一份问卷调查结束时测试提供他们的主观印象外骨骼的五个方面,即感知有用性(PU、0 ~ 10),副作用(SE, -10 ~ 0),打算使用(IU, 0 ~ 10),感知易用性(一些,0 ~ 10),以及促进条件(FC, 0 ~ 10)。表3显示的平均值和最小值五个参与者的问卷调查。

五个参与者的耗氧量和外骨骼呈现在图19。耗氧量的中值价值被发现减少了11.3%,6.79%,6.28%,10.4%,11.26%,和13.86%的五个参与者穿着外骨骼,分别。对于整个实验的值,中值的总耗氧量的五个参与者与外骨骼相比减少了9.45%的缺席外骨骼,演示了其援助的有效性。此外,正如报告在表3,五个参与者提供了主观评价的外骨骼PU、SE, IU,一些,和FC,结果表明,参与者发现系统有利于减少身体疲劳。虽然没有参与者表示任何恐惧或担心穿着外骨骼,FC的得分低于其他方面的成绩,因为原型略难磨损和起飞。因此,客观评价和主观评价外骨骼的有效性进行验证。

6。结论

本文提出了完整的方法学、设计和测试评价的外骨骼用于起重原位负载的场景。调查的结果可以概括如下:(1)关节的运动和扭矩分析基于收集的数据从一个三维运动捕捉系统和测功器跑步机系统。旋转范围、速度和关节转矩矢状平面升降负载时获得和使用外骨骼的系统设计的基础(2)基于关节和肌肉的运动布局分析,搬运时使用的外骨骼原位负载设计为包括积极协助上肢和下肢被动援助。对于上肢的帮助下,能源系统是为了被放置在身体之外,和液压缸的援助模式避免了外骨骼和身体之间的干扰(3)客观和主观的评价方法采用设计的外骨骼。氧气被解除负载的平均价值10倍的援助外骨骼被发现相比减少了9.45%,在缺乏外骨骼。此外,测试参与者的主观感觉有关外骨骼也证明了其有效性

在未来的研究中,更多的细节关于使用外骨骼的场景将包括设计一个结构和能源系统,通过优化和援助效率将提升human-exoskeleton的互动。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51775004)。

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