無動力穿戴式外骨骼座椅結構設計與優化

康輝梅，高 婧，汪 倩，付宇淇，薛澤灝，許怡赦

（1.湖南師范大學工程與設計學院，湖南 長沙 410081；2.湖南開放大學智能制造學院，湖南 長沙 4100004）

0 引言

汽車總裝生產線上存在大量的崗位需要作業人員根據生產節拍先走動拿取零件和工具、然后手持零件和工具采用下蹲姿勢進行作業，長時間的反復下蹲一方面容易導致肌肉勞損、甚至引發職業性肌肉骨骼疾病，另一方面也影響作業質量。近年來，可穿戴機械外骨骼因能顯著提高個人負重能力、輔助進行康復治療而逐漸在軍工、醫療等領域得到廣泛研究和應用[1-4]。而在工業領域將可穿戴機械外骨骼作為一種坐具，為生產線作業人員下蹲作業時提供支撐方面的研究也已經有一些嘗試和探索。崔家碩[5]研究和設計了一款通過控制外骨骼膝關節自鎖實現蹲坐支撐功能的裝置，楊文豪[6]研究和設計了一款多連桿變胞三角形支撐機構。以上兩款設計更多考慮了行走便利，因而都將機構設置在穿戴人員雙腿的左右兩側，這對于在生產線上的應用來說存在兩個弊端：一個是作業人員行走時可能刮花汽車車身；另一個是機構尺寸太大，從而導致重量較重，增加作業人員負擔。為了滿足汽車總裝生產線快速的生產節拍和特殊的工作環境需要，本文設計一款無動力、輕便小巧、能快速進行站姿和坐姿切換的穿戴式外骨骼座椅，并在此基礎上進行機構優化設計。

1 無動力穿戴式外骨骼座椅結構設計

汽車總裝生產線的生產節拍很快，譬如廣州本田增城工廠每51 s 就有一臺車從總裝生產線下線，這就要求所設計的外骨骼座椅能快速地讓穿戴者在站姿和坐姿間切換。考慮到作業人員雙手被零件和工具占據，作業人員進行站姿、坐姿切換時應不需要手動操作。基于以上需求，坐姿采用圖1（a）所示簡單穩定的三角形支撐結構，大腿桿和小推桿分別用伸縮帶綁定在穿戴者的大腿和小腿后側，斜撐桿組由兩部分組成，上半部分為伸縮桿，在桿長方向上可以自由伸縮和鎖定支撐。當穿戴者需要站立或行走的時候，在大腿肌肉的帶動下，大腿桿繞小腿桿旋轉，同時伸縮桿伸長如圖1（b）所示，坐姿和站姿切換快捷便利，無需借助外部動力，亦無需手動操作。

圖1 作業人員穿戴外骨骼座椅的示意圖

汽車總裝生產線不同崗位的裝配位置不同，要求的作業人員蹲坐高度也不同，因此設計的外骨骼座椅的蹲坐高度應能根據崗位作業需求可調。此外汽車生產線為了提高生產效率，減少步行時間，每個崗位的裝配位置一般會集中在同一區域，因此作業過程中外骨骼座椅的高度不需要進行調整。因此，斜撐桿組的下半部分設計為氣壓桿，每位作業人員根據自己的崗位需求設置氣壓桿的伸出長度，從而實現蹲坐高度的無級調節。氣壓桿的長度一經調定，作業人員在每個節拍內下蹲作業時的蹲坐高度保持不變，因此，設計的外骨骼座椅的蹲坐高度具有記憶功能。

本文設計的無動力穿戴式外骨骼座椅的結構組成如圖2 所示。該裝置由大腿桿、小腿桿、伸縮桿、氣壓桿、坐墊、腰部綁帶、大腿綁帶和小腿綁帶等組成。大腿桿和小腿桿之間、大腿桿和伸縮桿之間、小腿桿和氣壓桿之間分別用鉸鏈連接，伸縮桿和氣壓桿同軸安裝。坐墊固定安裝在大腿桿的上端。腰部綁帶、大腿綁帶和小腿綁帶均采用魔術貼綁帶，松緊程度可自由調節。

圖2 無動力穿戴式外骨骼座椅結構組成

作業人員在上班前的準備時間段先通過綁帶將無動力穿戴式外骨骼座椅固定在腰部和下肢上，根據站立行走的舒適度調整各綁帶的長度，然后根據本崗位作業高度要求按住氣壓桿的氣孔，調節氣壓桿長度至和本崗位相適應的蹲坐高度。作業過程中無需手動操作，伸縮桿在大腿肌肉帶動下自由伸縮，當作業人員需蹲坐作業時，伸縮桿縮短至最短位置并鎖止，大腿桿、小腿桿、伸縮桿和氣壓桿一起組成三角形支撐結構，為作業人員提供穩定支撐，且每個節拍內的蹲坐高度保持不變；當作業人員需站立和走動時，伸縮桿伸出，伸出長度視蹲坐高度而定。根據《中國成年人人體尺寸》可知，18～60 歲成年男性會陰至膝長為329 ～424 mm，18～55 歲成年女性會陰至膝長為317～402 mm，設置大腿桿長度為350 mm；18～60 歲成年男性小腿加足高為372 ～463 mm，18～55 歲成年女性小腿加足高為331 ～417 mm，為了防止站立行走時小腿桿觸地，設置小腿桿長度為330 mm。

2 無動力穿戴式外骨骼座椅鉸點位置優化設計

為了使無動力穿戴式外骨骼座椅結構盡量緊湊，斜撐桿組的安裝位置采用優化設計方法確定。

2.1 數學模型建立

無動力穿戴式外骨骼座椅的設計要求整個機構結構緊湊，盡量和腿部貼合，但是作業人員穿戴上無動力穿戴式外骨骼座椅進行裝配作業時，蹲坐姿態下和站立行走姿態下外骨骼座椅都會占據一定空間。因此，在無動力穿戴式外骨骼座椅機構示意圖（圖3）中，選擇從蹲坐至站立過程中小腿桿與斜撐桿組的角度θ的最大值為優化設計的目標函數，通過優化設計使目標函數達到最小。目標函數的表達式為：

圖3 無動力穿戴式外骨骼座椅機構示意圖

式中，θ可由正弦定理求得為鉸點AB之間的距離，角α為∠ABC的補角，根據汽車總裝生產線的作業高度設置情況，角度α的可調范圍設為[60°，120°]，S1為伸縮桿的長度，S2為氣壓桿的長度。由△ABC應用余弦定理可求得：

式中，l3為鉸點BC之間的距離。

選擇l1和l3兩個參數為設計變量，即：

兩個設計變量的取值范圍分別設為：60 mm ≤x1≤320 mm，60 mm ≤x2≤300 mm。

考慮到整個裝置的結構應盡量緊湊、以及蹲坐時的穩定性和安全性，要求蹲坐姿態下斜撐桿組的最大長度，即伸縮桿的最短長度和氣壓桿的最大長度之和，需小于等于320 mm，即：

式中，S1min為伸縮桿的最短長度，S2max為氣壓桿的最大長度。

為了保證氣壓桿和伸縮桿工作的穩定性，參照液壓油缸伸縮比的規定，要求氣壓桿和伸縮桿的伸縮比滿足：

式中，S1max為伸縮桿的最大長度，S2min為氣壓桿的最短長度。

至此，建立了無動力穿戴式外骨骼座椅的鉸點位置優化設計數學模型。

2.2 優化設計求解

本優化設計問題屬于約束非線性優化，使用傳統優化方法容易陷入局部最優情況而無法獲得全局最優解，故采用遺傳算法進行優化設計。

在MATLAB 軟件中先編寫函數文件fun 求解從蹲坐至站立過程中小腿桿與斜撐桿組的角度的最大值，然后再編寫非線性約束函數文件con_fun 計算式（4）和式（5），最后利用MATLAB 自帶的遺傳算法工具箱進行優化設計，獲得最優解為：l1= 60 mm，l3=285 mm，從而確定了斜撐桿組的鉸點安裝位置。由第3 節結構設計可知，大腿桿和小腿桿的長度分別為：l2= 350 mm，l4= 330 mm。

3 無動力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組尺寸設計

以上已分別確定了大腿桿和小腿桿的長度，以及斜撐桿組分別和大腿桿以及小腿桿相連接的鉸點位置，接下來根據作業人員的蹲坐高度調節需求和站立行走需求分別確定斜撐桿組中伸縮桿和氣壓桿的行程和安裝長度。

首先確定，氣壓桿的最短長度和最長長度分別對應作業人員的最低蹲坐高度和最高蹲坐高度，此時伸縮桿均處于全縮狀態。在斜撐桿組的安裝鉸點位置已確定的情況下，不同的蹲坐高度由大腿桿和小腿桿之間的夾角α的大小決定。因此，分別將α= 120°，l1=60 mm，l3= 285 mm 代入式（2），解得最低蹲坐高度時斜撐桿組的總長度為：

分別將α= 60°，l1= 60 mm，l3= 285 mm 代入式（2），解得最高蹲坐高度時斜撐桿組的總長度為：

由式（7）減式（6）可得氣壓桿的行程為：

當作業人員從最低蹲坐姿態開始站立時，伸縮桿的伸出長度最長。作業人員站立時，大腿桿和小推桿之間的夾角α為0°，分別將α= 0°，l1= 60 mm，l3=285 mm 代入式（2），可得站立時斜撐桿組的總長度為：

由式（10）減式（6）可得伸縮桿的行程為：

由式（6）（7）和式（9）可以求得伸縮桿和氣壓桿均為最長長度時伸縮桿組的總長度為：

由式（11）除以式（6）可求得斜撐桿組總的伸縮比為：

伸縮桿和氣壓桿的伸縮比均取斜撐桿組總的伸縮比，即：

再綜合考慮伸縮桿和氣壓桿的最短長度以及行程，可分別求得伸縮桿和氣壓桿的最短長度，也即伸縮桿和氣壓桿的安裝長度，

4 結論

（1）針對汽車總裝生產線作業崗位需求，設計了一款無動力、能快速進行站姿和坐姿切換、可無級調節且蹲坐高度具有記憶功能的穿戴式外骨骼座椅。

（2）建立了無動力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組的鉸點位置優化設計數學模型，采用MATLAB 軟件自帶的遺傳算法工具箱進行了優化設計，確定了斜撐桿組分別和大腿桿以及小腿桿相連接的鉸點位置。

（3）進行了無動力穿戴式外骨骼座椅斜撐桿組尺寸設計，根據蹲坐高度調節需求和站立行走需求，分別確定了伸縮桿和氣壓桿的行程和安裝長度。