CN112536821B - 一种原地搬举负载的外骨骼设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及人体关节助力装备领域，公开了一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，根据工况参数构建人体运动与力学采集系统，获取人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据；通过人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，根据不同关节最大承受力矩确定外骨骼装置的助力关节；根据外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式设置用于原地搬举负载的外骨骼装置；根据若干个不同的测试指标对外骨骼装置进行测试。本发明解决了目前外骨骼设计依据理论方法缺失的问题，且设置了用于原地搬举负载的外骨骼装置，实现了对人体各关节进行助力，本发明还提出了作为原地搬举外骨骼助力有效性的评判依据，能够获得外骨骼助力的实际效果。
Description
技术领域
本发明涉及人体关节助力装备领域，具体地涉及一种原地搬举负载的外骨骼设计方法。
背景技术
外骨骼是一种人体关节助力装备，用于瘫痪肢体康复、物流搬运助力及军用负重携行等领域。对于物流搬运助力外骨骼，实现方式有腰部助力、上肢助力或混合助力方式，驱动形式一般有液压驱动、电机驱动或被动式驱动。
比如，国家专利公开文献“CN111805517A”，公开了一种人机肩部旋转中心线共线的上肢外骨骼机器人，包括背架机构和两组上肢机构，两组上肢机构对称设置在背架机构两侧，其中上肢机构包括肘部前屈/后伸机构、肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构、肩部旋内/旋外机构以及绑带机构；肩部旋内/旋外机构分别与肩部前屈/后伸机构、肩部外摆/内收机构连接。该发明关于外骨骼的设计均是通过一种特定助力形式对身体的某个关节进行助力并达到一定的效果，但存在以下不足：
1)未对工作场景或工作载荷对人肢体产生的影响开展研究，这样就导致的外骨骼设计的盲目性，虽然有一定的助力效果，但其带来的负面作用未考虑；
2)过分追求与人体关节自由度相一致，虽然能够满足外骨骼动作可达域以及人交互性，但繁多的自由度及复杂的控制方式导致穿戴体验性较差；
3)缺少对外骨骼产品的效果验证的手段，仅从原理或机构上开展了设计，但缺失了穿戴效果与助力的有效性客观评价。
发明内容
本发明提供一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，从而解决现有技术的上述问题。
一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，原地搬举负载的外骨骼设计方法是实现或完成原地搬举负载的外骨骼助力智能化的设计方法，外骨骼智能化的设计方法包括人体运动与力学采集系统设计方法、外骨骼装置设计方法和测试评价设计方法；
人体运动与力学采集系统设计方法包括以下步骤：
S1)获取若干个不同的工况参数；
S2)根据工况参数构建人体运动与力学采集系统，利用人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据；
S3)通过人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，通过人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节；
外骨骼装置设计方法包括以下步骤：
S4)设定助力效率，根据助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式；
S5)根据外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式设置用于原地搬举负载的外骨骼装置；
测试评价设计方法包括以下步骤：
S6)建立若干个不同的测试指标，根据若干个不同的测试指标对所述外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果。
工况参数包括环境场景、操作人员平均年龄、身高、体重、动作、负载类型、负载平均体积和负载重量。
进一步的，在步骤S2)中，人体运动与力学采集系统包括三维运动捕捉系统、足底测力跑台、数据采集与时统系统、数据处理上位机；利用人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，包括以下步骤：
S21)设置若干个人体动作姿态采集点，利用三维运动捕捉系统对若干个人体动作姿态采集点进行数据采集，获得人体运动姿态数据；
S22)根据人体运动姿态数据获得不同关节的角度变化量，通过不同关节的角度变化量计算出不同关节的角速度；
S23)利用足底测力跑台采集足底力数据，通过数据采集与时统系统使关节动作与关节的力/力矩的变化时间保持同步性，根据足底力数据获得不同关节的力矩变化量；
S24)依次重复n次步骤S21)至步骤S23)，获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，人体关节运动变化数据包括n组不同关节的角度变化量和n组不同关节的角速度，人体关节力矩变化数据包括n组不同关节的力矩变化量。
进一步的，利用数据处理上位机分别对人体运动姿态数据、不同关节的角度变化量和足底力数据进行处理，获得不同关节的角度变化量、不同关节的角速度和不同关节的力矩变化量。
进一步的，步骤S3)中，通过人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，通过人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节，包括以下步骤：
S31)利用人体关节力矩变化数据获得不同关节的最大承受力矩排序结果；不同关节的最大承受力矩排序结果包括上肢不同关节的最大承受力矩排序结果及下肢不同关节的最大承受力矩排序结果；
S32)根据上肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢助力关节为肩关节和肘关节；
S33)根据下肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢助力关节为膝关节和髋关节。
进一步的，在步骤S4)中，设定助力效率，根据助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式，运动与力学数据包括不同关节的运动速度和运动范围以及不同关节最大承受力矩，包括以下步骤：
S41)获取上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积，将上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积进行对比，获得上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果，同时获取上肢与下肢肌肉能力对比结果；
S42)根据上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果和上肢与下肢肌肉能力对比结果选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢结构为主动式助力、并选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢结构为被动式助力；
S43)对用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节的能源与驱动形式进行选择，选取外骨骼上肢结构的肘关节的能源与驱动形式为肘关节电机系统及肘关节鲍登线，利用肘关节电机系统及肘关节鲍登线对外骨骼上肢结构的肘关节进行驱动；选取外骨骼上肢结构的肩关节的能源与驱动形式为液压能源系统，利用液压能源系统对外骨骼上肢结构的肩关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的膝关节的能源与驱动形式为膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧，利用所述膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的膝关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的髋关节的能源与驱动形式为髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧，利用所述髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的髋关节进行驱动。
进一步的，在步骤S5)中，用于原地搬举负载的外骨骼装置包括上肢结构和下肢结构，上肢结构包括左上肢结构和右上肢结构，下肢结构包括左下肢结构和右下肢结构，左上肢结构与所述右上肢结构对称，左下肢结构与所述右下肢结构对称，左下肢结构与右下肢结构均包括外骨骼机架(2-17)，外骨骼机架(2-17)设有膝关节锚点(2-8)、髋关节锚点(2-16)和助力弹簧装置(2-14)，膝关节锚点(2-8)连接有膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)，膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)的一端与膝关节锚点(2-8)连接，膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)的另一端连接有膝关节鲍登线(2-6)，膝关节鲍登线(2-6)与助力弹簧装置(2-14)连接；助力弹簧装置(2-14)包括膝关节助力弹簧(2-18)和髋关节助力弹簧(2-20)，膝关节助力弹簧(2-18)与膝关节鲍登线(2-6)连接；髋关节助力弹簧(2-20)与髋关节钢丝绳(2-15)连接，髋关节钢丝绳(2-15)与髋关节锚点(2-16)连接。
进一步的，左上肢结构与右上肢结构均设有上臂机架、上臂护具(2-1)和前臂护具(2-5)，前臂护具(2-5)设有肘关节锚点(2-4)，肘关节锚点(2-4)连接有肘关节鲍登线钢丝绳(2-3)，肘关节鲍登线钢丝绳(2-3)通过肘关节鲍登线接头(2-2)连接有肘关节鲍登线(2-9)，肘关节鲍登线接头(2-2)固定在上臂护具(2-1)上，肘关节鲍登线(2-9)连接有肘关节电机系统(2-10)，上臂机架位于上臂背面，上臂机架连接有液压缸(2-11)，液压缸(2-11)用于支撑上臂背面，液压缸(2-11)通过液压油管(2-12)连接有液压能源系统(2-13)。
进一步的，液压能源系统(2-13)放置在与操作人员相隔预设距离的位置处。
进一步的，在步骤S6)中，建立若干个不同的测试指标，所述不同的测试指标包括主观指标参数与实际数据测试指标参数，所述主观指标参数包括穿戴快捷性、静态舒适性和/或动态舒适性；实际数据测试指标参数包括耗氧度和/或肌肉激活度；根据若干个不同的测试指标对外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果，包括以下步骤：
S61)根据实际数据测试指标参数计算测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值和未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值；
S62)将测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值与未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值进行对比，获得被试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置相对于未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的助力有效性对比结果；
S63)根据主观指标参数与实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，不同样机均为用于原地搬举负载的外骨骼装置；
S64)将测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得测试者穿戴不同样机的助力有效性对比结果。
进一步的，在步骤S61)中，测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
m为测试者的总数，αi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，βi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，Hi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，0≤Hi≤1，Ei为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，0≤Ei≤1；所述测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，
在步骤S63)中，根据所述主观指标参数与所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，第k个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
计算m个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
获得m个测试者穿戴不同样机的助力有效性，将m个测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得不同样机的助力有效性对比结果；Aj、Bj分别为主观指标加权系数和实际数据测试指标加权系数，Cj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值，0≤Cj≤1，σj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值加权系数，Jj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值，0≤Jj≤1，τj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值加权系数，Dj为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值，0≤Dj≤1，
为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值加权系数，Zj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度，0≤Zj≤1，wj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度加权系数，ej为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度加权系数，Rj为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度，0≤Rj≤1。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种面向原地搬举负载特定工况的外骨骼设计方法，通过三维运动捕捉系统与足底测力系统反算出各关节力矩变化与运动变化，并协同关节生物力学与人机交互友好性为依据对外骨骼进行设计，使原地搬举外骨骼的设计更有依据性，解决了目前外骨骼设计依据理论方法缺失的问题。本发明设置了用于原地搬举负载的外骨骼装置，通过用于原地搬举负载的外骨骼装置实现了对人体各关节进行助力，本发明还提出了可作为原地搬举外骨骼助力有效性的评判依据，通过对外骨骼进行性能测试，能够获得外骨骼助力的实际效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例一提供的原地搬举负载的外骨骼设计方法流程框图。
图2为本实施例一提供的人体运动与力学采集系统结构示意图。
图3为本实施例一提供的搬举动作关节角度变化曲线图。
图4为本实施例一提供的搬举动作关节力矩变化曲线图。
图5为本实施例一提供的测试者穿戴外骨骼装置的效果示意图。
图6为本实施例一提供的原地搬举负载的外骨骼设计方法流程示意图。
1-1、三维运动捕捉系统，1-2、测试者，1-3、Marker点，1-4、负载，1-5、足底测力跑台，1-6、数据采集与时统系统，1-7、数据处理上位机，2-1、上臂护具，2-2、肘关节鲍登线接头，2-3、肘关节鲍登线钢丝绳，2-4、肘关节锚点，2-5、前臂护具，2-6、膝关节鲍登线，2-7、膝关节鲍登线钢丝绳，2-8、膝关节锚点，2-9、肘关节鲍登线，2-10、肘关节电机系统，2-11、液压缸，2-12、液压油管，2-13、液压系统，2-14、助力弹簧装置，2-15、髋关节钢丝绳，2-16、髋关节锚点，2-17、外骨骼机架，2-18、膝关节助力弹簧，2-19、膝关节钢丝绳，2-20、髋关节助力弹簧。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一，一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，原地搬举负载的外骨骼设计方法是实现或完成原地搬举负载的外骨骼助力智能化的设计方法，如图1及图6所示，外骨骼助力智能化的设计方法包括人体运动与力学采集系统设计方法a、外骨骼装置设计方法b和测试评价设计方法c；
人体运动与力学采集系统设计方法a包括以下步骤：
S1)获取若干个不同的工况参数；本发明实施例首先要分析工况条件，工况参数包括环境场景、操作人员平均年龄、身高、体重、动作、负载类型、负载平均体积、负载重量等，通过对环境、人、负载的参数分析为后续外骨骼设计提供基本信息依据。
S2)根据工况参数构建人体运动与力学采集系统，利用人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据；
在步骤S2)中，人体运动与力学采集系统包括三维运动捕捉系统1-1、足底测力跑台1-5、数据采集与时统系统1-6、数据处理上位机1-7；测试者1-2拿着预设重量的负载1-4、并站在足底测力跑台1-5上，利用人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，包括以下步骤：
S21)设置若干个人体动作姿态采集点，利用三维运动捕捉系统对若干个人体动作姿态采集点进行数据采集，获得人体运动姿态数据；
S22)根据人体运动姿态数据获得不同关节的角度变化量，通过不同关节的角度变化量计算出不同关节的角速度；
S23)利用足底测力跑台采集足底力数据，通过数据采集与时统系统使关节动作与关节的力/力矩的变化时间保持同步性，根据足底力数据获得不同关节的力矩变化量；
S24)依次重复n次步骤S21)至步骤S23)，获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，人体关节运动变化数据包括n组不同关节的角度变化量和n组不同关节的角速度，人体关节力矩变化数据包括n组不同关节的力矩变化量。
如图2所示，步骤S2)是对原地搬举这特定工况下的典型动作进行实际操作模拟，主要通过在测试者1-2的衣服表面的若干位置粘贴Marker点1-3，粘贴的Marker点1-3为三维运动捕捉系统的动作姿态采集点，通过数次动作模拟后将三维运动捕捉系统采集的人体运动姿态数据导入数据处理上位机的人体运动学仿真软件中，利用数据处理上位机分别对人体运动姿态数据、不同关节的角度变化量和足底力数据进行处理，获得不同关节的角度变化量、不同关节的角速度和不同关节的力矩变化量。
由于在原地搬举负载时各人体关节主要在矢状面内运动，因此本实施例中提取了矢状面内各关节的角度变化(见图3)。从图3中可以看出，负载从地面搬到1m高度时，由于人体下肢逐渐由弯曲状态变化为直立状态，因此，髋关节从90°变化到0°附近，膝关节由-130°变化到0°附近，踝关节由32°变化到0°附近，在举升过程中，下肢各关节角度基本没有变化。上肢肩关节在向地面抓取负载时角度为90°，在负载搬起后角度降低到约48°，在举升时，角度由48°上升到75°。肘关节在搬起负载时变化不大，在举升状态时，由10°上升到55°。通过分析以上角度变化，也可计算出关节运动的角速度，可将关节的运动范围与运动速度作为外骨骼装置的驱动设计依据。同时，通过对足底跑台的数据也进行了采集，通过数据采集和时统系统可使关节动作与关节的力/力矩的变化时间保持同步性，并通过足底力导入人体运动学仿真软件中可得到测试者三维场景下的各关节的力矩变化(见图4)。
S3)通过人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度(本实施例中为平均运动速度)和运动范围，通过人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节，包括以下步骤：
S31)利用人体关节力矩变化数据获得不同关节的最大承受力矩排序结果；不同关节的最大承受力矩排序结果包括上肢不同关节的最大承受力矩排序结果及下肢不同关节的最大承受力矩排序结果；
S32)根据上肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢助力关节为肩关节和肘关节；
S33)根据下肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢助力关节为膝关节和髋关节。
外骨骼装置设计方法b包括以下步骤：
S4)设定助力效率，根据助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式，运动与力学数据包括不同关节的运动速度和运动范围以及不同关节最大承受力矩，包括以下步骤：
S41)获取上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积，将上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积进行对比，获得上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果，同时获取上肢与下肢肌肉能力对比结果；
S42)根据上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果和上肢与下肢肌肉能力对比结果选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢结构为主动式助力、并选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢结构为被动式助力；
上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果为下肢肌肉群体积远高于上肢肌肉群体积，另外上肢多为梭形肌肉，下肢为羽状肌肉形式，所以当人下蹲状态时，下肢的髋关节的屈伸能力与膝关节的屈伸能力都较强，同时考虑到人上半身重力作用因素，选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢结构为被动式助力；对于上肢助力来说，考虑到上肢肌肉能力弱于下肢肌肉能力，另外上肢关节的肌肉能力也较弱，不易采用被动式助力，因此选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢结构为主动式助力。
S43)对用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节的能源与驱动形式进行选择，选取外骨骼上肢结构的肘关节的能源与驱动形式为肘关节电机系统及肘关节鲍登线，利用肘关节电机系统及肘关节鲍登线对外骨骼上肢结构的肘关节进行驱动；选取外骨骼上肢结构的肩关节的能源与驱动形式为液压能源系统，利用液压能源系统对外骨骼上肢结构的肩关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的膝关节的能源与驱动形式为膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧，利用所述膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的膝关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的髋关节的能源与驱动形式为髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧，利用所述髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的髋关节进行驱动。
本实施例中,助力效率设定为30％，肘关节助力的电机选取为200W伺服电机以及67：1减速器，肩关节助力的液压系统压力设置为16Mpa，液压缸行程为230mm，液压缸内径为12mm。
从图4中可以看出，下肢各关节的力矩幅值较上肢更大，在搬起负载过程中，髋关节在-95Nm～-70Nm范围内，膝关节在人体站起来过程中力矩由40Nm变化到-70Nm，踝关节力矩在-45NM～-10Nm范围内。上肢在搬起过程中肩关节力矩从17Nm增加到30Nm，肘关节力矩由0增加到15Nm。在负载举升过程中，下肢各关节力矩均在逐渐增加，这是由于负载举升过程从逐渐远离人体。而对于上肢来说，肩关节的负载力矩持续增大，由30Nm增大到接近50Nm，图4中数据施加在关节轴上的力矩顺时针为正，逆时针为负。根据骨肌力学，各关节是由其附近肌肉连接肌腱施力完成动作，长期承受过大载荷会导致肌劳损甚至断裂的风险，而人体不同关节所承受的力/力矩也不尽相同，因此需要综合分析各关节的最大承受的力/力矩、助力效率进行外骨骼装置的驱动设计的选配。通过对图5分析得到，关于下肢的各关节的负载力矩，髋关节的负载力矩>膝关节的负载力矩>踝关节的负载力矩(即下肢不同关节的最大承受力矩排序结果)。关于上肢的各关节的负载力矩，肩关节的负载力矩>肘关节的负载力矩(即上肢不同关节的最大承受力矩排序结果)。另外，当人下蹲状态时，下肢的髋关节与膝关节屈伸能力都较强，同时考虑到人上半身重力作用因素，因此，本实施例中外骨骼装置的下肢结构选择被动式助力形式；对于上肢助力来说，考虑到上肢肌肉能力弱于下肢肌肉能力，另外其伸展关节的肌肉能力也较弱，不易采用被动式助力，因此上肢助力选择主动式助力形式。
S5)根据外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式设置用于原地搬举负载的外骨骼装置。用于原地搬举负载的外骨骼装置包括左上肢结构、右上肢结构、左下肢结构和右下肢结构，左上肢结构与右上肢结构对称，左下肢结构与右下肢结构对称，左下肢结构与右下肢结构均包括外骨骼机架2-17，外骨骼机架2-17设有膝关节锚点2-8、髋关节锚点2-16和助力弹簧装置2-14，膝关节锚点2-8连接有膝关节鲍登线钢丝绳2-7，膝关节鲍登线钢丝绳2-7的一端与膝关节锚点2-8连接，膝关节鲍登线钢丝绳2-7的另一端连接有膝关节鲍登线2-6，膝关节鲍登线2-6与助力弹簧装置2-14连接；助力弹簧装置2-14包括膝关节助力弹簧2-18和髋关节助力弹簧2-20，膝关节助力弹簧2-18与膝关节鲍登线2-6连接；髋关节助力弹簧2-20与髋关节钢丝绳2-15连接，髋关节钢丝绳2-15与髋关节锚点2-16连接。如图5所示，f为测试者穿戴上用于原地搬举负载的外骨骼装置后的效果示意图，g为助力弹簧装置的内部结构示意图。
左上肢结构与右上肢结构均设有上臂机架、上臂护具2-1和前臂护具2-5，前臂护具2-5设有肘关节锚点2-4，肘关节锚点2-4连接有肘关节鲍登线钢丝绳2-3，肘关节鲍登线钢丝绳2-3通过肘关节鲍登线接头2-2连接有肘关节鲍登线2-9，肘关节鲍登线接头2-2固定在上臂护具2-1上，肘关节鲍登线2-9连接有肘关节电机系统2-10，上臂机架位于上臂背面，上臂机架连接有液压缸2-11，液压缸2-11用于支撑上臂背面，液压缸2-11通过液压油管2-12连接有液压能源系统2-13。
液压能源系统2-13放置在与穿戴了用于原地搬举负载的外骨骼装置的操作人员相隔预设距离的位置处。
对于下肢被动式助力，本实施例采用弹簧、钢丝绳以及凸轮结构形式，实现对髋关节与膝关节的被动式助力；上肢自由度繁多，如完全模拟上肢自由度将会带来结构复杂性与控制的繁琐性，同时自重会明显增大。另外由于针对原地搬举的助力形式其动作主要集中在矢状面内，因此针对肩关节采用液压缸支撑上臂背面的形式，这种方式能够避开肩部复杂的自由度模拟，另外，由于原地搬举操作人员基本不移动，液压能源系统可以放置在操作人员身体外，避免了背负重量的增加。肘关节采用了电机和鲍登线的助力形式，这种方式能够利用鲍登线的柔性特点避开与肩关节的绑定，另外同样可将电机放置在操作人员身体外，将拉力通过鲍登线传递到肘关节锚点，实现对肘关节的屈曲动作助力。
肘关节电机系统中肘关节助力的电机选取为200W伺服电机以及67：1减速器。对肩关节助力的液压系统压力为16Mpa，液压缸行程为230mm，液压缸内径为12mm。在外骨骼装置结构方面，采用上肢柔性肩、肘主动式助力、下肢刚性髋以及膝被动式助力的方式。
测试评价设计方法c包括以下步骤：
S6)建立若干个不同的测试指标，所述不同的测试指标包括主观指标参数与实际数据测试指标参数，所述主观指标参数包括穿戴快捷性、静态舒适性和/或动态舒适性；实际数据测试指标参数包括耗氧度和/或肌肉激活度(肌肉激活度即采集肌电数据)；根据若干个不同的测试指标对外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果，包括以下步骤：
S61)根据实际数据测试指标参数计算测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值和未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值；
在步骤S61)中，测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
m为测试者的总数，αi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，βi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，Hi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，0≤Hi≤1，Ei为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，0≤Ei≤1；所述测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，
S62)将测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值与未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值进行对比，获得被试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置相对于未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的助力有效性对比结果；
S63)根据主观指标参数与实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，不同样机均为用于原地搬举负载的外骨骼装置；
在步骤S63)中，根据主观指标参数与实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，第k个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
计算m个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
获得m个测试者穿戴不同样机的助力有效性，将m个测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得不同样机的助力有效性对比结果；Aj、Bj分别为主观指标加权系数和实际数据测试指标加权系数，Cj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值，0≤Cj≤1，σj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值加权系数，Jj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值，0≤Jj≤1，τj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值加权系数，Dj为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值，0≤Dj≤1，
为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值加权系数，Zj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度，0≤Zj≤1，wj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度加权系数，ej为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度加权系数，Rj为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度，0≤Rj≤1。
S64)将测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得测试者穿戴不同样机的助力有效性对比结果。
进行测试时，首先将外骨骼机架2-17绑缚在测试者身上，其中肘关节由电机系统2-10带动肘关节鲍登线2-9、利用肘关节鲍登线钢丝绳2-3固定在肘关节锚点2-4上来驱动肘关节屈曲，从而实现对负载的搬起；肩关节由液压系统2-13输出液压油、并通过液压油管2-12驱动液压缸2-11伸出与回缩，从而实现对肩关节的伸/屈助力。对于下肢来说，利用膝关节助力弹簧2-18绑定膝关节鲍登线钢丝绳2-7，并使膝关节鲍登线钢丝绳另一端绑定在膝关节锚点上，当测试者下蹲时需要克服膝关节助力弹簧2-18的拉力，并形成预紧力，在搬起负载时提供膝关节的伸展助力；对于髋关节，利用髋关节助力弹簧2-20绑定髋关节钢丝绳2-19，髋关节钢丝绳2-19另一端绑定髋关节锚点2-16处，当测试者下蹲时需要克服髋关节助力弹簧2-20的拉力，并形成预紧力，在搬起负载时提供髋关节的伸展助力。对于外骨骼的测试评价，本实施例采用耗氧度以及肌电数据为客观评测依据，分别找到若干个测试者，让若干个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置后搬举负载动作5分钟，记录每名测试者的耗氧度情况以及肌电数据；对若干个测试者未穿外骨骼装置时在相同工况条件下做相同负载、时间的测试，记录耗氧度以及肌电数据，通过将若干个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值与若干个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值进行比较，获得测试者穿戴外骨骼装置与否的助力有效性对比结果；另外，本发明还对比了若干个测试者穿戴不同样机的情况下的助力有效性，最终获得测试者穿戴不同样机的助力有效性对比结果。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提出了一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，通过本发明不仅使原地搬举外骨骼的设计更有依据性，同时本发明结合关节生物力学设计了原地搬举外骨骼装置。提出了可作为原地搬举外骨骼助力有效性的评判依据。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，所述原地搬举负载的外骨骼设计方法是实现或完成原地搬举负载的外骨骼助力智能化的设计方法，所述外骨骼智能化的设计方法包括人体运动与力学采集系统设计方法、外骨骼装置设计方法和测试评价设计方法；
所述人体运动与力学采集系统设计方法包括以下步骤：
S1)获取若干个不同的工况参数；
S2)根据所述工况参数构建人体运动与力学采集系统，利用所述人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据；
S3)通过所述人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，通过所述人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据所述不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节；
所述外骨骼装置设计方法包括以下步骤：
S4)设定助力效率，根据所述助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式；
S5)根据所述外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式设置用于原地搬举负载的外骨骼装置；
所述测试评价设计方法包括以下步骤：
S6)建立若干个不同的测试指标，根据所述若干个不同的测试指标对所述外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果；
在步骤S4)中，设定助力效率，根据所述助力效率并结合运动与力学数据得到外骨骼的助力形式以及能源与驱动形式，所述运动与力学数据包括所述不同关节的运动速度和运动范围以及所述不同关节最大承受力矩，包括以下步骤：
S41)获取上肢肌肉群体积和下肢肌肉群体积，将所述上肢肌肉群体积和所述下肢肌肉群体积进行对比，获得上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果，同时获取上肢与下肢肌肉能力对比结果；
S42)根据所述上肢及下肢不同关节屈伸能力对比结果和所述上肢与下肢肌肉能力对比结果选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢结构为主动式助力、并选择用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢结构为被动式助力；
S43)对用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节的能源与驱动形式进行选择，选取外骨骼上肢结构的肘关节的能源与驱动形式为肘关节电机系统及肘关节鲍登线，利用肘关节电机系统及肘关节鲍登线对外骨骼上肢结构的肘关节进行驱动；选取外骨骼上肢结构的肩关节的能源与驱动形式为液压能源系统，利用液压能源系统对外骨骼上肢结构的肩关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的膝关节的能源与驱动形式为膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧，利用所述膝关节鲍登线及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的膝关节进行驱动；选取外骨骼下肢结构的髋关节的能源与驱动形式为髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧，利用所述髋关节钢丝绳及膝关节助力弹簧对外骨骼下肢结构的髋关节进行驱动；
在步骤S6)中，建立若干个不同的测试指标，所述不同的测试指标包括主观指标参数与实际数据测试指标参数，所述主观指标参数包括穿戴快捷性、静态舒适性和/或动态舒适性；所述实际数据测试指标参数包括耗氧度和/或肌肉激活度；根据所述若干个不同的测试指标对所述外骨骼装置进行测试，获得测试助力有效性结果，包括以下步骤：
S61)根据所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值和未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值；
S62)将测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值与未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值进行对比，获得被试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置相对于未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的助力有效性对比结果；
S63)根据所述主观指标参数与所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，所述不同样机均为用于原地搬举负载的外骨骼装置；
S64)将测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得测试者穿戴不同样机的助力有效性对比结果；
在步骤S61)中，所述测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
m为测试者的总数，αi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，βi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，Hi为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，0≤Hi≤1，Ei为第i个测试者穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，0≤Ei≤1；所述测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的工作消耗值
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的耗氧度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置的肌肉激活度加权系数，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的耗氧度，
为第i个测试者未穿戴用于原地搬举负载的外骨骼装置时的肌肉激活度，
在步骤S63)中，根据所述主观指标参数与所述实际数据测试指标参数计算测试者穿戴不同样机的助力有效性，第k个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
计算m个测试者穿戴第j个样机的助力有效性为
获得m个测试者穿戴不同样机的助力有效性，将m个测试者穿戴不同样机的助力有效性进行对比，获得不同样机的助力有效性对比结果；Aj、Bj分别为主观指标加权系数和实际数据测试指标加权系数，Cj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值，0≤Cj≤1，σj为第k个测试者穿戴第j个样机的穿戴敏捷度分值加权系数，Jj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值，0≤Jj≤1，τj为第k个测试者穿戴第j个样机的静态舒适度分值加权系数，Dj为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值，0≤Dj≤1，
为第k个测试者穿戴第j个样机的动态舒适度分值加权系数，Zj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度，0≤Zj≤1，wj为第k个测试者穿戴第j个样机时的耗氧度加权系数，ej为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度加权系数，Rj为第k个测试者穿戴第j个样机时的肌肉激活度，0≤Rj≤1。
2.根据权利要求1所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，在步骤S2)中，所述人体运动与力学采集系统包括三维运动捕捉系统、足底测力跑台、数据采集与时统系统、数据处理上位机；利用所述人体运动与力学采集系统获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，包括以下步骤：
S21)设置若干个人体动作姿态采集点，利用所述三维运动捕捉系统对所述若干个人体动作姿态采集点进行数据采集，获得人体运动姿态数据；
S22)根据所述人体运动姿态数据获得不同关节的角度变化量，通过所述不同关节的角度变化量计算出不同关节的角速度；
S23)利用足底测力跑台采集足底力数据，通过数据采集与时统系统使关节动作与关节的力/力矩的变化时间保持同步性，根据所述足底力数据获得不同关节的力矩变化量；
S24)依次重复n次步骤S21)至步骤S23)，获得人体关节运动变化数据和人体关节力矩变化数据，所述人体关节运动变化数据包括n组不同关节的角度变化量和n组不同关节的角速度，所述人体关节力矩变化数据包括n组不同关节的力矩变化量。
3.根据权利要求2所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，利用数据处理上位机分别对所述人体运动姿态数据、所述不同关节的角度变化量和所述足底力数据进行处理，获得不同关节的角度变化量、不同关节的角速度和不同关节的力矩变化量。
4.根据权利要求2或3所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，步骤S3)中，通过所述人体关节运动变化数据得到不同关节的运动速度和运动范围，通过所述人体关节力矩变化数据得到不同关节最大承受力矩，根据所述不同关节最大承受力矩确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的助力关节，包括以下步骤：
S31)利用所述人体关节力矩变化数据获得不同关节的最大承受力矩排序结果；所述不同关节的最大承受力矩排序结果包括上肢不同关节的最大承受力矩排序结果及下肢不同关节的最大承受力矩排序结果；
S32)根据所述上肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的上肢助力关节为肩关节和肘关节；
S33)根据所述下肢不同关节的最大承受力矩排序结果确定用于原地搬举负载的外骨骼装置的下肢助力关节为膝关节和髋关节。
5.根据权利要求4所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，步骤S5)中，所述用于原地搬举负载的外骨骼装置包括上肢结构和下肢结构，所述上肢结构包括左上肢结构和右上肢结构，所述下肢结构包括左下肢结构和右下肢结构，所述左上肢结构与所述右上肢结构对称，所述左下肢结构与所述右下肢结构对称，所述左下肢结构与所述右下肢结构均包括外骨骼机架(2-17)，所述外骨骼机架(2-17)设有膝关节锚点(2-8)、髋关节锚点(2-16)和助力弹簧装置(2-14)，所述膝关节锚点(2-8)连接有膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)，所述膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)的一端与所述膝关节锚点(2-8)连接，所述膝关节鲍登线钢丝绳(2-7)的另一端连接有膝关节鲍登线(2-6)，所述膝关节鲍登线(2-6)与助力弹簧装置(2-14)连接；所述助力弹簧装置(2-14)包括膝关节助力弹簧(2-18)和髋关节助力弹簧(2-20)，所述膝关节助力弹簧(2-18)与所述膝关节鲍登线(2-6)连接；所述髋关节助力弹簧(2-20)与髋关节钢丝绳(2-15)连接，所述髋关节钢丝绳(2-15)与所述髋关节锚点(2-16)连接。
6.根据权利要求5所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，所述左上肢结构与所述右上肢结构均设有上臂机架、上臂护具(2-1)和前臂护具(2-5)，所述前臂护具(2-5)设有肘关节锚点(2-4)，所述肘关节锚点(2-4)连接有肘关节鲍登线钢丝绳(2-3)，所述肘关节鲍登线钢丝绳(2-3)通过肘关节鲍登线接头(2-2)连接有肘关节鲍登线(2-9)，所述肘关节鲍登线接头(2-2)固定在所述上臂护具(2-1)上，所述肘关节鲍登线(2-9)连接有肘关节电机系统(2-10)，所述上臂机架位于上臂背面，所述上臂机架连接有液压缸(2-11)，所述液压缸(2-11)用于支撑上臂背面，所述液压缸(2-11)通过液压油管(2-12)连接有液压能源系统(2-13)。
7.根据权利要求6所述的原地搬举负载的外骨骼设计方法，其特征在于，所述液压能源系统(2-13)放置在与操作人员相隔预设距离的位置处。
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