48、用于重复 lifting 任务的轻型背部外骨骼的生物力学设计与评估

用于重复 lifting 任务的轻型背部外骨骼的生物力学设计与评估

1. 引言

手动搬运材料（MMH）活动，即工人需要反复 lifting 重物，通常会导致与工作相关的肌肉骨骼疾病（WMSDs），尤其是在背部和手臂。这些疾病不仅影响工人的健康，还会增加企业的经济成本。因此，为重复 lifting 任务提供辅助是很有必要的。

背部外骨骼已被证明可以增强人体力量、减少肌肉力量、预防 WMSDs 并提高工作效率。根据执行器的不同，它可以分为“被动”和“主动”两类：
- 被动外骨骼 ：使用不同的能量存储机制，如气体弹簧、扭转弹簧和碳纤维，通过将势能转化为动能来辅助 lifting。然而，被动外骨骼提供的辅助扭矩与躯干的弯曲角度有关，这导致辅助效果有限。
- 主动外骨骼 ：使用动力执行器来辅助工人进行重复 lifting 任务。主动外骨骼可以提供更大的动力，但它们的系统更复杂、更重。例如，腰部辅助外骨骼 H - WEXv2 和 Xotrunk 的重量分别为 5 千克、5.5 千克和 6.5 千克。

为了解决上述问题，我们设计了一种轻型背部外骨骼（LBE），它结合了被动和主动外骨骼的技术优势，可以分别为手臂和背部提供辅助。LBE 由手臂和背部辅助模块组成。手臂辅助模块上的能量存储机制用于被动辅助，背部辅助模块上基于串联弹性执行器的鲍登电缆驱动机制用于主动辅助。此外，本文还分析了考虑 lifting 高度和是否穿戴外骨骼这两个因素时，外骨骼的潜在效果。

2. 生物力学分析

2.1 Lifting 的运动学分析

为了研究 liftin