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摘要：本文对飞机装配机械外骨骼结构进行分析，并通过仿真实验的方式，阐述外骨骼的减振原理与效果，最后开展铆接工作现场实验，对比使用和不使用外骨骼情况下，作业者肌肉与手部的受力情况。根据实验结果可知，在五种铆接姿势下，使用外骨骼的受力情况要远远低于不使用，外骨骼具有较强的减振与助力效果，可帮助工人减轻振动能量的冲击，缓解工作压力。
关键词：飞机装配;铆接工艺;减振性能;外骨骼结构
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-03-102
引言：在飞机装配工作中，铆接属于主要的连接形式之一，工作量占总装配的30%左右，且铆接质量将对飞机寿命产生直接影响。在国内的装配工作中，通常以人工铆接的形式为主，为了提高铆接质量与效率，应为工人营造良好的环境。对此，本文设计了一套适用于飞机装配的机械外骨骼，将其应用到装配领域中可减轻工作强度，提高铆接工作效率，并对工人安全给予切实保护。
1飞机装配机械外骨骼结构
站在人体工效学的角度，结合工作现场实际情况，确定外骨骼的设计目标，即工具支撑、减振、高度可操作。由于铆接工人需要拿着铆枪，长时间的工作会导致手臂疲劳，影响工作效率与身体健康，因此需要具备工具支撑功能，可将云台安装在机械臂上，通过机械臂实现工具支撑;在铆接工作中，振动冲击会对工人带来较大伤害，因此应采取减振措施，利用弹簧阻尼机械臂吸收振动冲击，这也是外骨骼中的基本性能;在装配作业中，动作姿势不尽相同，常需要以非中性姿势工作，这就要求外骨骼具有高度可操作功能，根据仿生学原理设计上肢下肢，设置多个自由度，可以很好的配合人体运动，不会影响工人的正常工作。在航空装配方面，专门为装配工作设计了一款机械外骨骼，主要包括踝关节、大小腿、髋关节、云台、减振机械臂等等。
2飞机装配机械臂减振性能
2.1减振原理
从机械臂动力学角度对该原理进行分析。在配备外骨骼的前提下开展铆接工作时，铆枪被固定在云台上，振动朝着工人手臂与云台传递，属于复杂人机耦合工作。在气压不变、铆枪相同的情况下进行铆接，铆枪的冲击能量基本一致，部分传递给工人手臂，剩余的被外骨骼吸收。要想提高外骨骼减振性能，则需要使更多的振动传递到外骨骼之中，在实际作业时主要通过云台传递能量，机械臂吸收一部分后，剩余能量均分散到全身。因机械臂中包括两节，可从动力学角度出发，只取一节对减振机理进行分析。
2.2衰减仿真
在使用和不使用机械臂两种情况下，对振动强度对作业者手部的影响程度进行对比，检验机械臂的减振效果。由于人体手部自带阻尼，可对振动进行吸收，加上作用机理复杂，在对机械臂性能进行检验时，无需构建精准的手臂动力模型，只需明确手臂接收振动后的变化情况即可。以此，在铆接工作中可将手臂假设为连杆弹簧模型，将手臂中的三个关节均设定为球铰接。在连杆弹簧模型中，弹性系数与人体力量相关，在忽视该因素的情况下，假设手臂的弹性系数为50N/mm，阻尼系数为1N·s/mm，上臂质量设定为1.5kg，前臂为0.75kg，结合承重性、稳定性等因素，最终将机械臂的弹性数值设定为10N/mm。在仿真实验中，在检验机械臂减振效果的同时，还要对其阻尼系数范围进行计算。因此，首先将机械臂去除，由人体来承受全部负荷，依次将阻尼系数设置为0.3，0.6，3，6，30，40，单位均为N·s/mm。根据装配間提供的信息，在铆接过程中受力值在200N左右，铆枪重量2kg左右，冲击率25Hz左右。因此，在仿真实验中将振动激励设置为200，工具负载值20N。
2.3仿真结果
当不使用机械臂时，人体手臂受力的仿真结果如下图2所示。当阻尼系数设置为3和30N·s/mm时，手臂受力情况如下图3所示。由图可知，当使用机械臂时，手臂受到的振动力相对较小，可见机械臂的确具有减振的效果，且阻尼值与减振性能具有正比关系。此外，手臂受力存在一定规律，可用最大值或平均值进行体现，当机械臂阻尼提升时，手臂的最大力与平均力均会随之降低。
3飞机装配外骨骼实验研究
3.1实验准备
为了更加精准的对人体肌肉与接触力数据进行获取，首先将传感器安装在人体的适当位置。在肌电传感器安装之前，应对待测量位置进行清洁，去除皮肤表面的油污。采用一次性电极片对其进行测量，在电极安装时，一个设置在肌肉群中央，另一个设置在肌肉延伸处。压力传感器与被测者的手部、脚部贴合，用胶带固定。
3.2实验过程
在准备工作完成后，便可正式开始铆接实验。为了确保实验的顺利开展，需要充足的技术人员，如肌电测试者、接触力测试者、持枪操作者、送钉人员以及实验记录人员等等。对于操作人员来说，每种姿势铆接5颗铆钉为一组，每组实验完成后，对该组实验数据进行采集，每组数据相互独立，待数据收集完毕后，才可开始后续实验。
3.3实验结果
在本次实验中，对两名操作者在五种姿势下进行实验，并对全部数据进行采集和整理，分别对操作者对使用和不使用外骨骼进行铆接工作的情况进行检测，具体的实验结果如下。
4飞机装配外骨骼应用
劳动强度与人体疲劳度有着密切的关系，劳动强度越大人体疲劳度上升曲率越大，反应出的人体疲劳状态越明显（对于人体疲劳状态下的操作影响不在本论文中论述）。出现人员伤亡、产品质量缺损的情况也越为严重。
结论：综上所述，在飞机装配铆接工作中，为了减轻工人的操作强度，人体外骨骼及减震辅助系统应会有更好的应用空间。实验数据表明，在五种铆接姿势下操作，使用外骨骼的受力情况要远远低于不使用，外骨骼具有较强的减振与助力效果，可帮助工人减轻振动能量的冲击，缓解工作压力，提高铆接工作质量和效率，使飞机装配领域得到更好的发展。
参考文献
[1]陈树洋.下肢外骨骼助力机器人结构设计与仿真分析[D].天津大学，2019.
[2]刘放，程文明，赵南.基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析[J].机械设计与制造，2018（09）：83-84.
关键词：飞机装配;铆接工艺;减振性能;外骨骼结构
中图分类号：TU 文献标识码：A 文章编号：（2020）-03-102
引言：在飞机装配工作中，铆接属于主要的连接形式之一，工作量占总装配的30%左右，且铆接质量将对飞机寿命产生直接影响。在国内的装配工作中，通常以人工铆接的形式为主，为了提高铆接质量与效率，应为工人营造良好的环境。对此，本文设计了一套适用于飞机装配的机械外骨骼，将其应用到装配领域中可减轻工作强度，提高铆接工作效率，并对工人安全给予切实保护。
1飞机装配机械外骨骼结构
站在人体工效学的角度，结合工作现场实际情况，确定外骨骼的设计目标，即工具支撑、减振、高度可操作。由于铆接工人需要拿着铆枪，长时间的工作会导致手臂疲劳，影响工作效率与身体健康，因此需要具备工具支撑功能，可将云台安装在机械臂上，通过机械臂实现工具支撑;在铆接工作中，振动冲击会对工人带来较大伤害，因此应采取减振措施，利用弹簧阻尼机械臂吸收振动冲击，这也是外骨骼中的基本性能;在装配作业中，动作姿势不尽相同，常需要以非中性姿势工作，这就要求外骨骼具有高度可操作功能，根据仿生学原理设计上肢下肢，设置多个自由度，可以很好的配合人体运动，不会影响工人的正常工作。在航空装配方面，专门为装配工作设计了一款机械外骨骼，主要包括踝关节、大小腿、髋关节、云台、减振机械臂等等。
2飞机装配机械臂减振性能
2.1减振原理
从机械臂动力学角度对该原理进行分析。在配备外骨骼的前提下开展铆接工作时，铆枪被固定在云台上，振动朝着工人手臂与云台传递，属于复杂人机耦合工作。在气压不变、铆枪相同的情况下进行铆接，铆枪的冲击能量基本一致，部分传递给工人手臂，剩余的被外骨骼吸收。要想提高外骨骼减振性能，则需要使更多的振动传递到外骨骼之中，在实际作业时主要通过云台传递能量，机械臂吸收一部分后，剩余能量均分散到全身。因机械臂中包括两节，可从动力学角度出发，只取一节对减振机理进行分析。
2.2衰减仿真
在使用和不使用机械臂两种情况下，对振动强度对作业者手部的影响程度进行对比，检验机械臂的减振效果。由于人体手部自带阻尼，可对振动进行吸收，加上作用机理复杂，在对机械臂性能进行检验时，无需构建精准的手臂动力模型，只需明确手臂接收振动后的变化情况即可。以此，在铆接工作中可将手臂假设为连杆弹簧模型，将手臂中的三个关节均设定为球铰接。在连杆弹簧模型中，弹性系数与人体力量相关，在忽视该因素的情况下，假设手臂的弹性系数为50N/mm，阻尼系数为1N·s/mm，上臂质量设定为1.5kg，前臂为0.75kg，结合承重性、稳定性等因素，最终将机械臂的弹性数值设定为10N/mm。在仿真实验中，在检验机械臂减振效果的同时，还要对其阻尼系数范围进行计算。因此，首先将机械臂去除，由人体来承受全部负荷，依次将阻尼系数设置为0.3，0.6，3，6，30，40，单位均为N·s/mm。根据装配間提供的信息，在铆接过程中受力值在200N左右，铆枪重量2kg左右，冲击率25Hz左右。因此，在仿真实验中将振动激励设置为200，工具负载值20N。
2.3仿真结果
当不使用机械臂时，人体手臂受力的仿真结果如下图2所示。当阻尼系数设置为3和30N·s/mm时，手臂受力情况如下图3所示。由图可知，当使用机械臂时，手臂受到的振动力相对较小，可见机械臂的确具有减振的效果，且阻尼值与减振性能具有正比关系。此外，手臂受力存在一定规律，可用最大值或平均值进行体现，当机械臂阻尼提升时，手臂的最大力与平均力均会随之降低。
3飞机装配外骨骼实验研究
3.1实验准备
为了更加精准的对人体肌肉与接触力数据进行获取，首先将传感器安装在人体的适当位置。在肌电传感器安装之前，应对待测量位置进行清洁，去除皮肤表面的油污。采用一次性电极片对其进行测量，在电极安装时，一个设置在肌肉群中央，另一个设置在肌肉延伸处。压力传感器与被测者的手部、脚部贴合，用胶带固定。
3.2实验过程
在准备工作完成后，便可正式开始铆接实验。为了确保实验的顺利开展，需要充足的技术人员，如肌电测试者、接触力测试者、持枪操作者、送钉人员以及实验记录人员等等。对于操作人员来说，每种姿势铆接5颗铆钉为一组，每组实验完成后，对该组实验数据进行采集，每组数据相互独立，待数据收集完毕后，才可开始后续实验。
3.3实验结果
在本次实验中，对两名操作者在五种姿势下进行实验，并对全部数据进行采集和整理，分别对操作者对使用和不使用外骨骼进行铆接工作的情况进行检测，具体的实验结果如下。
4飞机装配外骨骼应用
劳动强度与人体疲劳度有着密切的关系，劳动强度越大人体疲劳度上升曲率越大，反应出的人体疲劳状态越明显（对于人体疲劳状态下的操作影响不在本论文中论述）。出现人员伤亡、产品质量缺损的情况也越为严重。
结论：综上所述，在飞机装配铆接工作中，为了减轻工人的操作强度，人体外骨骼及减震辅助系统应会有更好的应用空间。实验数据表明，在五种铆接姿势下操作，使用外骨骼的受力情况要远远低于不使用，外骨骼具有较强的减振与助力效果，可帮助工人减轻振动能量的冲击，缓解工作压力，提高铆接工作质量和效率，使飞机装配领域得到更好的发展。
参考文献
[1]陈树洋.下肢外骨骼助力机器人结构设计与仿真分析[D].天津大学，2019.
[2]刘放，程文明，赵南.基于ANSYS的携行式外骨骼机械结构强度分析[J].机械设计与制造，2018（09）：83-84.