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机身装配辅助上肢外骨骼主客观人机交互性能评估

朱隽沛 李怀仙 王海波

朱隽沛, 李怀仙, 王海波. 机身装配辅助上肢外骨骼主客观人机交互性能评估[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(4): 641-647. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190154
引用本文: 朱隽沛, 李怀仙, 王海波. 机身装配辅助上肢外骨骼主客观人机交互性能评估[J]. 机械科学与技术, 2020, 39(4): 641-647. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190154
Zhu Junpei, Li Huaixian, Wang Haibo. Human-robot Interaction Performance Evaluation for Assistive Assembly Exoskeleton in Fuselage[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(4): 641-647. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190154
Citation: Zhu Junpei, Li Huaixian, Wang Haibo. Human-robot Interaction Performance Evaluation for Assistive Assembly Exoskeleton in Fuselage[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2020, 39(4): 641-647. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190154

机身装配辅助上肢外骨骼主客观人机交互性能评估

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20190154
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51905451

详细信息
    作者简介:

    朱隽沛(1980-), 硕士研究生, 研究方向为机械加工制造、人因工程, 38091220@qq.com

    通讯作者:

    李怀仙, 讲师, 博士, 35140538@qq.com

  • 中图分类号: X931

Human-robot Interaction Performance Evaluation for Assistive Assembly Exoskeleton in Fuselage

  • 摘要: 为了测试辅助装配外骨骼的人机交互性能,10名工人在穿戴和不穿戴辅助外骨骼下,进行了实验室设计主客观实验测试,测量了手臂的肌肉活动、人机在手部接触压力,填写了扩展的NASA-TLX主观性能矩阵量表。结果显示辅助外骨骼装置整体上降低了手臂肌肉活动8.6%,降低了手部接触压力20%,其中外骨骼装置对于上臂肌肉活动降低具有更好的效果,达到20%,而对于前臂则造成了肌肉活动增加和操作灵活性的限制;主观性能矩阵量表结果表明,辅助外骨骼对于工人体力和绩效水平的帮助较大,然而增加了工人的认知负荷和受挫程度。因此,辅助外骨骼的使用降低了对工人的体力要求,但是其灵活性设计需要进一步改善。
  • 图  1  辅助装配上肢外骨骼样机

    图  2  EMG所测量的肌肉位置及电极片贴片位置

    图  3  5种标准实验操作姿势

    图  4  扩展的NASA-TLX主观心理负荷评估量表

    图  5  常规操作和外骨骼辅助操作下肌肉活动幅值比较

    图  6  常规铆接与外骨骼辅助铆接比较下下肌肉活动减小幅值

    图  7  手部接触压力均值比较

    图  8  常规操作和外骨骼辅助操作下主观负荷比较

    表  1  工人5种铆接姿势的权重结果

    跪姿向前 跪姿向上 弓步向前 站立向前 站立向下
    0.15 0.1 0.1 0.3 0.35
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    表  2  常规操作和外骨骼辅助操作下的上臂肌肉活动比较检验

    操作姿势 三角肌前束 三角肌中束 肱三头肌长头
    平均幅值 降低幅度 t p 平均幅值 降低幅度 t p 平均幅值 降低幅度 t p
    常规 穿戴 常规 穿戴 常规 穿戴
    跪姿向前 0.044 0.034 22.7% 203.56 0.000 0.028 0.030 -9.8% -70.78 - 0.066 0.053 20.3% 73.46 0.000
    跪姿向上 0.051 0.037 27.7% 189.05 0.000 0.032 0.028 11.8% 104.87 0.000 0.070 0.052 25.3% 92.37 0.000
    弓步向前 0.048 0.040 23.2% 128.33 0.000 0.026 0.031 -18.9% -107.16 - 0.059 0.070 -17.8% -53.13 -
    站立向前 0.042 0.036 17.9% 113.08 0.000 0.027 0.025 7.2% 41.980 0.000 0.068 0.043 37.8% 116.8 0.000
    站立向下 0.045 0.034 27.8% 204.71 0.000 0.031 0.022 29.9% 227.11 0.000 0.066 0.046 29.7% 95.71 0.000
    注:t值为负,表示在外骨骼辅助操作加剧了被测肌肉活动幅度。
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    表  3  常规操作和外骨骼辅助操作下的前臂肌肉活动比较检验

    操作姿势 尺侧腕屈肌 桡侧腕长伸肌
    平均幅值 降低幅度 t p 平均幅值 降低幅度 t p
    常规 穿戴 常规 穿戴
    跪姿向前 0.142 0.128 10.4% 79.21 0.000 0.089 0.095 -7.8% -47.2 -
    跪姿向上 0.111 0.136 -22.1% -223.8 - 0.087 0.109 -25.0% -143.3 -
    弓步向前 0.105 0.128 -21.7% -132.6 - 0.081 0.104 -28.3% -125.7 -
    站立向前 0.103 0.087 15.1% 136.7 0.000 0.085 0.141 -65.5% -232.9 -
    站立向下 0.119 0.080 33.2% 311.7 0.000 0.088 0.097 -10.4% -52.5 -
    注:t值为负,表示在外骨骼辅助操作加剧了被测肌肉活动幅度。
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    表  4  常规操作和外骨骼辅助操作下手掌接触压力比较检验

    操作姿势 手掌接触压力平均值 降低幅度 t p 手掌接触压力最大值
    常规操作 外骨骼助力 常规操作 外骨骼助力
    跪姿向前 27.719 15.370 44.6% 5.420 0.000 54.850 34.655
    跪姿向上 34.106 9.171 67.8% 16.065 0.000 62.434 21.761
    弓步向前 27.094 46.390 -34.9% -8.231 0.000 68.858 73.814
    站立向前 26.330 46.082 -46.0% -7.345 0.000 71.867 66.692
    站立向下 27.777 9.209 69.3% 7.232 0.000 78.690 25.150
    注:t值为负,表示在外骨骼辅助操作加剧了手掌接触压力幅度。
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    表  5  常规操作和外骨骼辅助操作下主观负荷比较检验

    量表 主管负荷均值 t p
    常规操作 外骨骼助力
    舒适性 58.3 66.7 -0.96 0.36
    认知要求 43.2 52.3 -0.83 0.43
    体力要求 66.8 60.9 0.69 0.51
    时间要求 50.9 62.4 -1.84 0.10
    绩效水平 47.9 54.3 -0.69 0.51
    努力程度 63.7 59.5 0.58 0.58
    受挫程度 58.8 60.6 -0.21 0.84
    注:t值为负,表示外骨骼辅助操作增加了人的主观感知负荷。
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  • 收稿日期:  2019-04-02
  • 刊出日期:  2020-04-05

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