关键词:
工业设计
手过头作业
上肢负荷评估
sEMG
Anybody
肌电特征
助力外骨骼
摘要:
长时间、重复性的手过头作业在工程机械生产、雷达维修、飞机和汽车装配等行业较为常见,会给作业人员的上肢肌肉骨骼带来很大的负担,造成工作相关的上肢肌肉骨骼损伤(Work-related Musculoskeletal Disorders,WMSDs)。论文通过三维光学运动捕捉系统、Anbody生物力学仿真软件及表面肌电信号(Surface Electromyography,sEMG)采集系统对上肢肌肉和关节数据进行获取,构建了整体上肢负荷评价模型,探究了两种外骨骼对上肢的增益效果。主要研究内容与研究成果如下:
(1)利用三维光学运动捕捉系统获取手过头操作人体运动数据,导入生物力学仿真软件Anybody中并创建了仿真环境和人体模型,完成运动学分析和逆向动力学分析,获取了肌肉力、肌肉激活度、关节角度、关节力四类生物负荷参数。
(2)根据真实的手过头作业拆卸任务,搭建了实验场景,设计了手过头作业sEMG采集实验,获取了14位被试人员正序和倒序状态下未穿戴外骨骼、穿戴外骨骼1、穿戴外骨骼2作业的sEMG,共采集84组数据,并对数据进行降噪处理,获取了积分肌电值(Integral Electromyography,IEMG)、均方根值(Root Mean Square,RMS)、中位频率(Median Frequency,MF)和平均功率频率(Mean Power Frequency,MPF)4类特征。
(3)对关节角度、关节力、肌肉激活度、肌电特征、主观评价等级、更换点位耗时等实验数据进行统计学相关性分析,明确了不同点位肌肉和关节承受负荷的差异性。构建了基于多个肌肉和关节的上肢负荷评估模型,对肌肉和关节权重进行求解,获得了不同点位的整体上肢负荷大小。结果表明,在远离人体矢状面的高点位作业时上肢负荷最大,为97.41N;在靠近人体矢状面的低点位作业时,上肢负荷最小,为83.16N;因此,建议作业人员避免在远离人体矢状面高点位进行作业,尽量选择在靠近人体矢状面的低点位完成作业。
(4)基于IEMG、RMS、MPF、MF、主观评价等级以及更换点位消耗时间等指标,将穿戴外骨骼1、穿戴外骨骼2分别与未穿戴外骨骼进行对比分析,探索了外骨骼对不同肌肉的助力效果,明确了在手过头作业中外骨骼1和外骨骼2对目标肌肉与整体上肢的增益程度。结果表明,穿戴外骨骼1和外骨骼2均能对上肢起到很好的增益效果,增益效果分别为:30.22%和34.75%。
以上研究对作业人员在手过头作业过程中选择合适作业姿势,合理安排作业时间提出了科学的指导建议,并且对整体上肢负荷评估研究、可穿戴外骨骼助力设备的设计与开发以及减少WMSDs患病几率具有重要意义。