AnyBody　適用例

概要

Muscle Suit是一款由 日本Innophys 公司与 东京理科大学 联合研发的‌可穿戴助力装置‌，通过气压驱动人造肌肉提供辅助力，主要应用于护理、物流等领域。

‌ 为评估 INNOPHYS 公司 Muscle Suit 肌力辅助外骨骼的性能，受试者穿戴该设备后，使用动作捕捉系统记录以下两种高腰部负荷作业任务：

① 搬运 12 kg 瓶装水；② 铲雪。

随后，基于 AnyBody Modeling System 构建肌骨动力学模型，用于量化外骨骼的辅助效果。该模型整合了外骨骼质量、大腿助力特性以及受试者的实测运动学数据。下文将详细说明建模方法与仿真结果。

受试者信息

男性，34 岁，170 cm，68 kg，n = 1。

1.搬运 12 kg 瓶装水

动作定义
① 躯干前屈，将地面 12 kg 瓶装水从右侧搬至左侧后放下。

2.铲雪

动作定义
② 由站立位下蹲，用 1 kg 铁锹铲除地面 2 kg 积雪，
连续 3 次。

外骨骼建模

在外骨骼表面贴反光标记，同步记录其运动。AnyBody 模型将外骨骼简化为 5 个刚体段（图 4）：

【Body】①
【Rotator】（右②/左③）
【Suit leg】（右④/左⑤）

总质量 5.1 kg，按实际比例分配。Body 与 Rotator 通过旋转关节连接，关节角 0°（站立）对应 0 N；≥90°（深蹲）对应每侧大腿 250 N 助力。等值反力经绑带传至骨盆，保持力平衡（图 5）。

分析结果

对两种动作分别建立“有外骨骼”与“无外骨骼”工况并对比：

• 手前伸-躯干屈曲瞬间，肌肉激活度与腰椎压缩力骤升；穿戴外骨骼后峰值显著下降。
• 站立位时，两种工况的腰椎反力差异不明显。

肌肉激活度以颜色动画呈现：蓝（无激活）→ 红 → 粉（过载）。

动作①

腰椎压缩力：无外骨骼 4 500 N → 有外骨骼 3 200 N（下降 29%，为原值 71%）。

动作②

腰椎压缩力：无外骨骼 3 600 N → 有外骨骼 2 000 N（下降 44%，为原值 56%）。

结论

在两类作业中，外骨骼能显著降低腰椎区域的肌肉激活水平和关节负荷，从而有效减轻腰部负担。

图中红色参考线对应美国NIOSH标准规定的3400 N安全限值。使用外骨骼后，两种作业场景下的腰椎压缩力均低于该限值，表明作业可在安全范围内完成。