一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究_张豪.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：重庆市自然科学基金面上项目（-）；重庆英才青年拔尖人才项目（-）；重庆理工大学校级项目（）作者简介：张豪，男，硕士研究生，主要从事外骨骼机器人研究，-：；通信作者 袁博，男，博士，副教授，主要从事外骨骼机器人研究，-：。本文引用格式：张豪，赵毅阳，李俊邑，等 一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，-（），（）：（）一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究张豪，赵毅阳，李俊邑，崔银平，杨国庆，袁博（重庆理工大学 机械工程学院，重庆 ；重庆会凌电子新技术有限公司，重庆 ；重庆前卫表业有限公司，重庆 ）摘要：提出一套针对被动式手臂助力外骨骼的测试方法，并对设计的被动式手臂外骨骼进行评估。构建了人体搬起运动的理论模型，分析了肘关节角度和力矩的特征。然后设计重复搬起和持重站立实验，分别测量手臂主要肌群的肌电信号和人体的代谢水平，验证被动式外骨骼对搬运的辅助效果。重复搬起实验中，穿戴外骨骼可显著降低屈肘时手臂肌肉的肌肉活动；持重站立实验中，搬起 时平均降低人体能量消耗 ，搬起 平均降低人体能量消耗 ，并且从变化的趋势可以看出，外骨骼在物资质量 内的持重站立状态下助力效果与物资重量的变化趋势呈正相关。提出的方法能够有效评估被动式手臂外骨骼的性能，被动式手臂助力外骨骼能够有效减少在重复搬起屈肘时手臂肌肉的肌肉活动，并且整体上降低穿戴者在持重站立时的代谢成本。关键词：外骨骼；手臂助力；表面肌电信号；代谢成本中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言随着人口老龄化加快，劳动力老龄化加剧，将会有越来越多的体力劳动岗位缺失人员 ，急需辅助设备增加工人的劳动效率和减少工人的劳动损伤。尽管目前有很多设备可以辅助人体搬运重物，但这种设备通常只能帮助人体在特定场所完成工作，许多短途物料搬运任务仍然需要体力劳动者完成 。外骨骼分为主动式和被动式外骨骼，主动式外骨骼通常是借用驱动系统（电机、气动系统、液压系统等）完成助力，被动式外骨骼是借用弹性构件在运动期间储存和释放能量帮助人体进行工作 。国内外对主动式外骨骼有许多研究：邓明君等 设计了一种基于液压系统的外骨骼机器人，利用钢丝绳进行传动，从而对手臂进行助力；等 设计了一款名为 的外骨骼，借助液压系统提供助力，且具备一定的行动能力；李懿等 设计了一款轮椅式外骨骼机器人，使用 控制电机从而控制外骨骼。但主动式外骨骼普遍尺寸较大且造价昂贵，不适合普通劳动者使用。国内外对被动式外骨骼也进行了一定的研究：高阳等 设计了一款被动式下肢外骨骼，将人体重力势能转化为弹性势能，从而为髋关节提供助力；等 研发出一款人体举升增力装置，对人体背部肌肉进行支撑；等 研发出一款手臂支撑外骨骼，可减少抹石膏过程中肌肉的活动；张颢龄等 利用姿态传感器对无源外骨骼的三维空间定位进行了研究，从而为外骨骼提供理论基础。因此，根据以上情况，开发一种可以在多样化任务场景下辅助人体搬运的助力设备很有必要。为此，本团队研发了一款被动式手臂助力外骨骼。截止目前，国内外对手臂外骨骼进行了一系列的实验评估和研究 ，但对搬运外骨骼性能评估方式还不够完善。本文的主要目的是通过重复搬起和持重站立 种运动姿态实验来分析有无外骨骼对人体手臂肌肉活动和人体代谢成本的影响，同时评估外骨骼的性能，为进一步改进搬运外骨骼提供理论依据。方法 被动式手臂助力外骨骼被动式手臂助力外骨骼的设计旨在为人体搬运重物时提供帮助。外骨骼主要由绑缚机构、腰部组件、背板、弹性蓄能模块、末端执行机构组成，如图 所示。图 被动式手臂助力外骨骼样机实物图被动式手臂助力外骨骼的工作原理：将钢丝绳一端连接到末端执行机构，另一端与弹性蓄能模块相连，当伸出手臂时，弹性蓄能模块蓄能，在搬起物体时，钢丝绳会产生拉力 提供助力。弹性蓄能模块会因钢丝绳拉出而蓄能，且拉出的长度越大，弹性蓄能模块蓄能越大，产生的拉力 也越大。外骨骼自重 ，单边最大助力 。理论建模与分析搬运物品是日常生活中常见的一种活动，如许多工人就需要在工厂搬运重物。因此，本研究构建人体生物力学模型，分析搬起重物时肘关节的生物力学特性，如图 所示。本文的主要目的是设计一种能够降低搬起重物时手臂的肌肉活动的被动式手臂外骨骼，因此研究主要集中在静态过程中的肘关节力矩。本文采用较低的搬起速度，可以忽略人体惯性力的影响，使两只手臂的受力情况基本一致，简化分析。图 搬起运动的力学模型本文对搬起运动建立生物力学模型，如图 所示，表示肘关节到腕关节的距离，即前臂（手臂肘到腕之间的部分）的长度；表示前臂与重物上平面的角度；表示搬起重物的质量；表示前臂的质量；表示在搬起重物时，肘关节屈肌产生的力；表示肘关节屈肌产生的力臂的长度。重物对肘关节处产生的力矩：（）前臂对肘关节产生的力矩：（）由肘关节屈肌对肘关节产生的力矩：（）根据力矩平衡原理：（）可求得肘关节屈肌的发力大小：（）根据式（）可以看出：搬起重物时，肘关节屈肌的发力大小主要与重物的质量大小和搬起时前臂与重物上平面的角度有关，且能看出当 越大，越小时，肘关节屈肌的发力越大。本文通过构建生物力学模型，分析了人体搬起重物过程中手臂因搬起重物所造成负担的影响规律。从手臂助力外骨骼设计角度分析，搬起运动通过肱二头肌、三角肌等肌群抵抗重物向下的重力。鉴于此，设计手臂助力外骨骼，其助力示意图，如图 。其中 表示钢丝绳与前臂形成的角度。手臂助力采用柔性驱动助力，提供斜向上的拉力。因肘关节旋转方向一致，可为肘关节屈肌提供助力。图 手臂外骨骼助力示意图外骨骼钢丝绳对肘关节产生的力矩：（）此时肘关节屈肌产生的力矩为 ，并重新达到力矩平衡：（）可求得穿外骨骼后肘关节屈肌的发力大小 ：（）（）此时可求得外骨骼对肘关节屈肌的助力效率 ：（）（）由式（）可以看出外骨骼的助力效率 与重物大小、钢丝绳产生的拉力、前臂与重物上平面的角度 和钢丝绳与前臂形成的角度 相关，且能看出助力效率 随着 的增大而减小，的增大而增大。在一般搬运情况下，和 的取值范围都为 ，故助力效率 随着 和的增大而增大。根据中国人的平均体重 ，设前臂参数 。假设外骨骼一直保持最大助力，则 。正常搬起情况下 角度的取值范围在 内。假设 和 值为 ，取重力加速度 ，分析重物质量与效率的关系，代入式（），可得表 。但实验对象很难遵循实验假设，实验结果和理论将会有差距。表 外骨骼助力效率 与 的关系 受试对象本研究共招募了 名健康男性为受试者，受试者身体信息如表 所示，年龄为（）岁，身高为（），体重为（）。在过去的 个月中，受试者均没有与骨骼肌肉相关的疾病，身体健康。测试前 内，受试者均没有剧烈运动，以避免过度的肌肉运动对实验造成影响 。每位受试者在不同的受试条件之间至少休息 ，以避免受试者肌肉疲劳、体能对实验的影响 。表 受试者身体信息年龄 岁身高 体重 受试者 受试者 受试者 受试者 受试者 受试者 受试者 受试者 实验设备及材料为分析肌肉活动，采用的肌电信号采集设备为美国 公司的 路无线表面肌电采集系统。为评估代谢成本，采用德国 公司的运动心肺功能测试仪。除采用的肌电信号采集设备和评估代谢成本设备外，还需用到长 、宽 、高 的空箱子装载重物，重物为每个 的铁砂袋，共 个，及 、的杠铃片。张豪，等：一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究 实验流程 数据采集方法采集肌电信号前，用浓度 的医用酒精棉球擦拭受试者皮肤，去除皮肤上的油污，待皮肤干燥后再贴上电极片，电极片粘贴的方式应顺着肌肉的方向贴 。肌电信号采集器应用双面胶固定在不易被外骨骼穿戴影响的位置，并确保电极片在整个实验过程中位置不发生变化，避免对肌电信号的采集造成影响 。本文记录整个实验过程中各块肌肉的肌电信号。共选取了 处肌群作为受试肌群，其中肱三头肌、肱二头肌、三角肌中束与肘关节弯曲相关 ，为使分析更加全面，选择手臂肌群肱桡肌一起进行测量。电极片贴放位置及受试肌群如图 所示。图 电极片贴放位置（）及受试肌群（）应用运动心肺功能测试仪测试需要注意：呼吸面罩穿戴好后，脸部皮肤与面罩相接处不要留有缝隙。具体佩戴方式如图 所示。图 运动心肺功能测试仪佩戴方式示意图 实验方法在工人日常搬运过程中，一般涉及搬起、保持、放下 个动作，而搬起和保持动作是最为劳累的动作。因此本文设计了 组实验（重复搬起和持重站立实验）分别分析 种动作状态：搬起和保持状态。重复搬起定义：将置于地面的重物箱通过双手抓住，抬举至腰部处，停留 后，再放下至地面为一次完整动作，并重复以上动作。重复搬运是主要应用于模拟实际搬运场所中，工人需重复将货物搬起、放下的典型运动姿态。不同受试者穿戴和不穿戴外骨骼进行相同的重复搬起实验，每组动作重复 次，对比 种状态下人体手臂肌肉的活动情况。为探究搬运不同质量对核心肌肉发力的影响，本实验设置 种不同的搬运质量：、。受试者搬起过程如图 所示。图 受试者搬起重物过程持重站立的定义：双手抓住杠铃片抬举至腰部后停留，然后受试者保持站立静止。持重站立实验主要用于模拟实际搬运场景中，人体搬起重物行走的过程。但由于人体行走过程中影响代谢成本的因素很多，因此，本实验简化搬起重物行走的过程，舍去人体行走的阶段，只让受试者站立抬举重物并保持。持重站立既能够分析人体持重搬运的情况，又能够将影响人体代谢成本的因素减少。不同受试者穿戴和不穿戴外骨骼进行相同的持重站立实验，每组动作持续站立时间为 ，对比两种状态下的人体代谢成本。为探究搬运不同质量对人体代谢成本的影响，本实验设置不同的搬运质量：、。代谢成本测试如图 所示。图 代谢成本测试过程 数据处理肌电信号采集设备采集的原始信号为振荡信号，需进行预处理，因此使用 公司开发的软件对原始数据进行预处理。采用的方法为将原始信号通过带通滤波（设定频率为 ）、全波整流及 处理（平滑时间窗口为 ）等。本实验统计的个人最大肌电幅值为受试者整个搬起的全过程。为了消除采集的肌电信号个体之间的差异，现利用采集的个人的最大肌电幅值的最大值进行归一化处理 ，如式（）所示。（）式中：为归一化处理后的肌电信号；为采集肌电信号搬起周期的峰值；为采集受试者对应肌电幅值的最大值。本文利用 软件对进行预处理后的肌电幅值和代谢成本进行了配对样本 检验，检验穿戴外骨骼是否会对人体的肌肉活动和代谢成本产生显著影响。其中检验结果处于 时，表示穿戴外骨骼后差异性显著；若 .，则表示穿戴外骨骼后差异性极显著。根据 等 的研究，可以计算出持重站立时单位质量的平均能量消耗功率 （）。（）式中：为平均能量消耗功率，；为耗氧量，；为二氧化碳呼出量，；为受试者体重，。外骨骼助力效率 由式（）计算而来。（）式中：指不穿戴外骨骼时的生理指标或物理指标；指穿戴外骨骼时的生理指标或物理指标。实验结果 肌肉活动实验结果本文采集穿外骨骼和无外骨骼在搬起重物时三角肌中束、肱桡肌、肱二头肌、肱三头肌的肌电信号，并进行了 种不同重物情况下的对比研究。受试者在重复搬起重物时，截取某一受试者一次完整的搬起周期的肌电信号，并将所得到的原始肌电信号经过预处理，结果如图 所示。在对肌肉活动的研究中发现，受试者在穿戴外骨骼后，伸肘都会使肱三头肌、三角肌中束、肱桡肌肌群产生一个肌电峰值，其原因是伸肘时，人体拉动钢丝绳向外，弹性蓄能模块蓄能，肱三头肌、三角肌中束、肱桡肌等肌肉为主动肌，肌肉收缩给弹性蓄能模块蓄能。随着重复搬起质量的增加，所有手臂的肌肉活动都随之增加，与理论符合。将不同受试者测试所记录的数据经过公式（）的归一化处理，其次计算每位受试者重复搬起 次的平均值，再记录同一搬起质量、同一受试肌肉、穿 不穿外骨骼下 名受试者的平均值，最后通过式（）计算出平均助力效率 。为了检验穿戴外骨骼后是否会对手臂的肌肉活动产生显著的影响，利用 软件对数据进行了配对样本 检验，得到所有受试者的平均值（?）及标准偏差（）。详细的实验结果如表 和图 所示。根据表 和图 可知，与不穿外骨骼相比，穿外骨骼明显降低屈肘时手臂肌肉的肌肉活动。当受试者穿戴外骨骼后搬起不同重物时，处肌群的肌电强度均发生了变化，且随着搬起物体质量的增加，块肌肉的肌电强度都有不同程度的变大。代谢成本实验结果求出不同受试者实验所得到的耗氧量和二氧化碳呼出量数据的平均值，再通过式（）平均能量消耗公式计算出平均能量消耗功率 ，再通过公式（）计算出助力效率 。为了检验穿戴外骨骼是否会对人体的代谢水平产生显著性影响，对数据进行配对样本 检验，所得结果如表 和图 所示。张豪，等：一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究纵坐标表示肌电信号归一化后的结果，横坐标表示截取一次完整周期所用时间的百分比；红线表示无外骨骼时的肌电信号，蓝线表示穿外骨骼时的肌电信号；将一次完整的周期分为 个阶段，其中 表示过渡阶段，表示伸肘阶段，表示屈肘阶段，表示手臂放下阶段。图 受试者搬起不同重物时各个肌群的肌电信号表 受试者连续搬起屈肘时 处肌群的肌电强度受试肌群搬起物体质量 穿外骨骼（?）不穿外骨骼（?）平均助力效率 配对 检验结果 三角肌中束 肱桡肌 肱二头肌 续表（表 ）受试肌群搬起物体质量 穿外骨骼（?）不穿外骨骼（?）平均助力效率 配对 检验结果 肱三头肌 *，*。图 种不同肌群屈肘时的肌电强度表 受试者耗氧量、二氧化碳呼出量及平均能量消耗功率搬起物体质量 穿外骨骼（?）不穿外骨骼（?）平均助力效率 配对 检验结果（）（）（）张豪，等：一种被动式手臂助力外骨骼性能评估研究图 搬起不同质量重物时人体的耗氧量、二氧化碳呼出量 和平均能量消耗功率 从表 可以看出，与不穿外骨骼相比，穿外骨骼显著降低了持重站立时人体的耗氧量和二氧化碳呼出量。如当持重 时，与不穿外骨骼相比，穿外骨骼减少了耗氧量 （）、减少了二氧化碳呼出量 （）、降低了平均能量消耗功率 （）。从图 可以看出，穿戴外骨骼能够显著降低平均能量消耗功率，并且从变化的趋势可以看出，外骨骼在物资重量 范围内的持重站立状态下，助力效果与物资重量的变化趋势呈正相关。讨论三角肌中束会使肩关节外展，肱三头肌的功能是伸展前臂，即伸肘，肱三头肌是主要的推动重物的主动肌，当搬起重物时，手臂的肱二头肌、三角肌、肱桡肌等主动肌群沿手臂向上发力 ，。分析图 的伸肘过程，可以看到肩关节有部分外展，此时三角肌中束和肱三头肌为主要的发力肌；分析图 的屈肘过程，肩关节也是保持外展，整个手臂需要抬举重物，此时三角肌中束、肱桡肌、肱二头肌为主要的发力肌。根据表 和图 ，可以看到被动式助力外骨骼在重复搬起实验中可以有效减少屈肘时手臂肌肉的肌肉活动。在重复搬起 的实验中，肱桡肌和肱二头肌的肌肉活动的显著性水平 ，这意味着在重复搬起 时，穿外骨骼和不穿外骨骼屈肘时的肱桡肌和肱二头肌的肌肉活动不存在显著性差异。其原因可能是外骨骼会对人体产生穿戴不适性，会增加肌肉活动，当搬起 重物时，部分受试者因穿戴不适导致增加的肌肉活动不足以抵消外骨骼助力减少的肌肉的活动，整体上看，外骨骼增加了肌肉活动。而从实验结果可以看出，重复搬起 、重物时，所有肌肉的显著性水平 ，不难得出，搬起重物质量越小，穿戴外骨骼的不适性对实验的影响越大。由式（）可知，外骨骼对肘关节屈肌的助力效果与搬起重物的质量有关。由表 可以看出，在搬起重物 时，外骨骼对肱三头肌和肱二头的助力效果随搬起重物质量的增大而减小，与理论相符。外骨骼对三角肌中束的助力效果不是随搬起重物质量的增大而减小，原因可能是受试者每次测量时的 和 不一致，肩关节外展也会对实验结果产生影响。根据图 ，可以看出伸肘过程中最重要的主动肌为三角肌中束和肱三头肌，屈肘过程中最重要的主动肌为三角肌中束、肱桡肌、肱二头肌，与实际情况相符。同时分析伸肘和屈肘过程，与不穿戴外骨骼相比，穿戴外骨骼对肱三头肌的影响最大，伸肘时增大的肌肉活动远大于屈肘时减小的肌肉活动，整体上穿戴外骨骼后会增加肱三头肌的肌肉活动。但穿戴外骨骼后在屈肘时对所有的手臂核心肌肉都有一定的助力效果。外骨骼能够把易劳累的肌肉用的力分摊给多个肌肉共同用力，从而降低局部肌群的过度发力，起到减少肌肉疲劳和增加工作效率的作用。但穿戴此款外骨骼后对肱三头肌的影响很大，后续研发过程中应尽可能降低肱三头肌伸肘时的发力。综合对被动式手臂助力外骨骼的测试评估结果看，该外骨骼可用于连续重复搬起频率较高和持重行走的工作场景中，能够有效降低操作者的手臂肌肉活动，同时减少人体的代谢生平，增加工作效率。此款外骨骼存在着一些不足，如会在伸肘过程中使肱三头肌肌肉活动显著升高，穿戴不适。因此，在未来对外骨骼的研发中，如何减少外骨骼对肱三头肌的影响是主要的研究方向，同时也要考虑提升外骨骼穿戴的舒适性。结论）通过构建理论力学模型分析出：人体搬起重物时，肘关节力矩随搬起重物质量的增大而增大，随前臂与重物表面角度的增大而减小。本团队设计的被动式手臂外骨骼可降低肘关节屈肌的最大力。被动式手臂外骨骼是通过在肘关节伸展时储存能量，在肘关节弯曲时释放能量。在肘关节弯曲时，弹簧释放能量产生辅助力矩。）该外骨骼能够在重复搬起时，有效降低屈肘时肱二头肌、肱桡肌、三角肌中束、肱三头肌的肌肉活动，如重复搬起 重物时，三角肌中束、肱桡肌、肱二头肌和肱三头肌的肌肉发力强度平均 分 别 降 低 、和 .。但穿戴外骨骼后，伸肘时会增加手臂肌肉群的肌肉活动，尤其是增加肱三头肌的肌肉活动，后续研发外骨骼应减少对肱三头肌的影响。）该外骨骼能够把易劳累的肌肉用力分摊给多个肌肉用力，从而降低局部肌肉的发力，起到减少肌肉疲劳的效果。）该外骨骼能够在持重站立时显著降低人体的代谢水平，在持重 站立时，综合降低了平均能量消耗功率 。因此，该外骨骼适用于重复搬起频率较高和长时间举持重物的工作场所，能够为操作者提供助力，未来在工业领域具有一定的应用价值和市场前景。参考文献：李建新，秋丽雅 我国人口少子老龄化过程趋势，风险与对策分析 晋阳学刊，（）邹波 中国老龄化的现状与积极应对 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