留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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。
    下载: 导出CSV

    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。
    下载: 导出CSV

    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。
    下载: 导出CSV

    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。
    下载: 导出CSV
  • [1] 朱隽沛, 李怀仙, 王海波, 等.机身装配工人肌肉骨骼损伤调查和人机工效负荷水平研究[J].工业工程, 2018, 21(1):89-95 doi: 10.3969/j.issn.1007-7375.e17-1260

    Zhu J P, Li H X, Wang H B, et al. A study of the ergonomic load level in the prevalence of work-related musculoskeletal disorders among the plane's fuselage assembly workers[J]. Industrial Engineering Journal, 2018, 21(1):89-95(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-7375.e17-1260
    [2] Angela D D, Nussbaum M A. Estimation of forces exerted by the fingers using standardised surface electromyography from the forearm[J]. Ergonomics, 2008, 51(6):858-871 doi: 10.1080/00140130801915980
    [3] Cabeças J M, Milho R J. The efforts in the forearm during the use of anti-vibration gloves in simulated work tasks[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2011, 41(3):289-297 doi: 10.1016/j.ergon.2011.01.013
    [4] de Looze M P, Bosch T, Krause F, et al. Exoskeletons for industrial application and their potential effects on physical work load[J]. Ergonomics, 2016, 59(5):671-681 doi: 10.1080/00140139.2015.1081988
    [5] Fleming S L, Jansen C W, Hasson S M. Effect of work glove and type of muscle action on grip fatigue[J]. Ergonomics, 1997, 40(6):601-612 doi: 10.1080/001401397187900
    [6] Jorgensen M J, Khan K S. Use of tungsten to reduce hand-arm vibration exposure in aircraft manufacturing[J]. Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting, 2008, 52(15):1045-1048 doi: 10.1177/154193120805201510
    [7] McDowell T W, Warren C, Xu X S, et al. Laboratory and workplace assessments of rivet bucking bar vibration emissions[J]. The Annals of Occupational Hygiene, 2015, 59(3):382-397 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=2a720083f4e016b8686edecaf7ae9570
    [8] Mital A, Kuo T, Faard H F. A quantitative evaluation of gloves used with non-powered hand tools in routine maintenance tasks[J]. Ergonomics, 1994, 37(2):333-343 doi: 10.1080/00140139408963650
    [9] Rashedi E, Kim S, Nussbaum M A, et al. Ergonomic evaluation of a wearable assistive device for overhead work[J]. Ergonomics, 2014, 57(12):1864-1874 doi: 10.1080/00140139.2014.952682
    [10] Ulrey B L, Fathallah F A. Subject-specific, whole-body models of the stooped posture with a personal weight transfer device[J]. Journal of Electromyography and Kinesiology, 2013, 23(1):206-215 doi: 10.1016/j.jelekin.2012.08.016
    [11] Whitfield B H, Costigan P A, Stevenson J M, et al. Effect of an on-body ergonomic aid on oxygen consumption during a repetitive Lifting Task[J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2014, 44(1):39-44 doi: 10.1016/j.ergon.2013.10.002
    [12] 范曙远, 王海波, 吴小笛, 等.工业装配外骨骼机械臂承重性能研究[J].工程设计学报, 2018, 25(6):697-702 doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2018.06.011

    Fang S Y, Wang H B, Wu X D, et al. Research on load-bearing performance of industrial assembly exoskeleton manipulator[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2018, 25(6):697-702(in Chinese) doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2018.06.011
    [13] Huysamen K, de Looze M, Bosch T, et al. Assessment of an active industrial exoskeleton to aid dynamic lifting and lowering manual handling tasks[J]. Applied Ergonomics, 2018, 68:125-131 doi: 10.1016/j.apergo.2017.11.004
    [14] Theurel J, Desbrosses K, Roux T, et al. Physiological consequences of using an upper limb exoskeleton during manual handling tasks[J]. Applied Ergonomics, 2018, 67:211-217 doi: 10.1016/j.apergo.2017.10.008
    [15] Hart S G, Staveland L E. Development of NASA-TLX (task load index):Results of empirical and theoretical research[J]. Advances in Psychology, 1988, 52:139-183 doi: 10.1016/S0166-4115(08)62386-9
  • 加载中
图(8) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  356
  • HTML全文浏览量:  113
  • PDF下载量:  19
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-02
  • 刊出日期:  2020-04-05

目录

    /

    返回文章
    返回