腰部助力型外骨骼研究現(xiàn)狀分析

肖恬恬 果金龍

摘?要：腰部助力型外骨骼是一種用于輔助人體搬運(yùn)的穿戴式外骨骼，其已在國內(nèi)外迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于軍事、民用的各個領(lǐng)域。本文介紹了腰部助力型外骨骼的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，對該型外骨骼在軍用于民用領(lǐng)域的應(yīng)用需求與前景進(jìn)行了梳理，并分析了針對腰部助力型外骨骼設(shè)計(jì)與研究的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：外骨骼;腰關(guān)節(jié);輔助機(jī)器人

1 概述

近年來，各型軍用、民用外骨骼在國內(nèi)外快速發(fā)展，控制、結(jié)構(gòu)和能源等關(guān)鍵技術(shù)水平愈發(fā)成熟。與此同時(shí)，隨著軍事、物流、建筑與醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域?qū)θ藛T搬運(yùn)、托舉重物的需求飛速增長，腰部助力型外骨骼的設(shè)計(jì)開發(fā)與應(yīng)用逐漸被國內(nèi)外各研究所、高校及企業(yè)所重視。

看護(hù)人員、快遞員與搬運(yùn)等職業(yè)人員在工作中腰部受力頻繁，負(fù)荷較大，易出現(xiàn)脊柱與腰椎損傷[1]。而在軍事領(lǐng)域中，火炮裝填手在裝填炮彈時(shí)腰部也會受大極大的負(fù)荷[2]。

腰部助力型外骨骼是一種可輔助人搬運(yùn)重物的穿戴式外骨骼。這類外骨骼通過不同形式在對腰部與髖部施加輔助力矩，均衡分配負(fù)載重量，幫助人體承擔(dān)舉起、放下物體時(shí)腰部所受的力，以減輕腰部負(fù)擔(dān)，并大幅提高搬運(yùn)效率[4]。

目前，該型外骨骼是近年來的熱點(diǎn)研究方向，已在國內(nèi)外迅速發(fā)展，其研究內(nèi)容包括人體運(yùn)動學(xué)原理、仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、人-機(jī)耦合控制、多傳感器信息融合、人體運(yùn)動意圖判別等方面，被廣泛應(yīng)用于在軍事、建筑、物流等領(lǐng)域[5]。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

針對腰部助力型外骨骼，研制較為成熟的腰關(guān)節(jié)助力型外骨骼多出于歐美與日韓。德國Fraunhofer工程研究機(jī)構(gòu)研制的Robo-mate的主動軀干模塊通過在臀部施加支撐扭矩來降低背部肌肉骨骼負(fù)荷，最大可幫助人體搬運(yùn)15kg負(fù)重;日本Atoun公司的Model Y電動外骨骼采用了倒Y型設(shè)計(jì)，像背包一樣可穿戴;韓國現(xiàn)代集團(tuán)研制的H-WEX腰部助力外骨骼則可在一秒鐘內(nèi)可彎曲180度，采用單電機(jī)為兩腿提供動力，其控制系統(tǒng)可以與手機(jī)進(jìn)行集成。

國內(nèi)京東物流研發(fā)的鐵甲鋼拳是一款氣電混合動力型腰關(guān)節(jié)助力型外骨骼，采用了碳纖維和鈦合金等輕量材料和氣電混合外部動力裝置，可以提供30kg的外部助力;深圳康特力研制的護(hù)腰外骨骼則是一款無動力腰部助力外骨骼，采用純物理機(jī)械原理，通過外骨髂的支撐作用，將人體彎腰前傾時(shí)產(chǎn)生的力矩通過大腿和臀部的作用來抵消，以綬解腰部受力。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 驅(qū)動方式

目前，有源腰部助力外骨骼常采用的驅(qū)動方式主要有電機(jī)、液壓、電推桿、氣動肌肉等。電機(jī)驅(qū)動具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易于自動化控制、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)其慣性大、換向慢、體積大。氣動驅(qū)動成本低、氣體粘性小、可無級變速，但速度易變動，難于精確控制，低溫特性差[6]。

無源系統(tǒng)則多采用彈簧作為儲能形式，或者通過鋼絲繩，轉(zhuǎn)輪相組合的形式，實(shí)現(xiàn)長距離力或力矩的傳遞。利用彈簧在人體彎腰時(shí)的拉伸來存儲人體重力勢能，然后在人體伸展過程中提供助力。此類外骨骼成本低、自重輕、穿戴方便，具有極大的市場前景。但由于系統(tǒng)缺少外部能量，系統(tǒng)輸出的助力相對較小，且無法根據(jù)外在負(fù)載變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[7]。

3.2 結(jié)構(gòu)形式

此類外骨骼功能相對單一、結(jié)構(gòu)形式簡單[8]。整體結(jié)構(gòu)形式主要分為背架、腰髖和腿部單元三個單元。背架單元作為系統(tǒng)能源與控制的固定平臺，且與人體的連接，一般采用背帶形式掛靠在人體肩部;腰髖單元則作為背架與大腿結(jié)構(gòu)的連接單元與驅(qū)動的固定平臺[9]。其結(jié)構(gòu)形式一般采用驅(qū)動矢狀面內(nèi)的單一屈伸自由度，或者采用主被動相結(jié)合的方式，提高系統(tǒng)的靈活性;腿部單元一般通過彈性材料綁帶與大腿固定。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與人體之間匹配性矛盾在于為了符合人體運(yùn)動需求，需增加關(guān)節(jié)驅(qū)動，其控制復(fù)雜度與系統(tǒng)能耗也會相應(yīng)增加，采取主被動相結(jié)合的方式是解決該問題的方法之一[10]。

3.3 控制系統(tǒng)

人體運(yùn)動意圖感知與人機(jī)協(xié)同控制是此類外骨骼控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。期中，人體運(yùn)動意圖目前多采用基于肢體的感知技術(shù)，即通過傳感器感知軀干肢體的運(yùn)動意圖，主要可分為基于姿態(tài)傳感器感知技術(shù)和肌電傳感技術(shù)，而未來一大熱門方向則是腦機(jī)接口技術(shù)。

人機(jī)協(xié)同控制策略在現(xiàn)階段主要分為5種：靈敏度放大控制策略、基于預(yù)定步態(tài)的控制策略、基于步態(tài)的預(yù)定驅(qū)動控制策略、基于動力學(xué)的控制策略與混合控制策略[10]。但無論哪種控制策略都存在穩(wěn)定性與精確性的問題。與其同時(shí)，傳感數(shù)據(jù)的檢測與識別，信息數(shù)據(jù)的融合，與其可靠性、準(zhǔn)確性都會對人機(jī)協(xié)同控制產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié)論

本文對腰部助力外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，此類外骨骼在民用與軍用領(lǐng)域均具備廣闊的因公前景，而開展輕質(zhì)高效驅(qū)動的研究、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)、應(yīng)用新型高強(qiáng)輕質(zhì)材料、突破人機(jī)耦合柔順控制難題等，是其進(jìn)一步發(fā)展的重要途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]余洋.面向快遞員徒手搬運(yùn)的外骨骼省力裝置設(shè)計(jì)[J].中國設(shè)備工程，2016（18）：54-59.

[2]陳壽齊，焦長君.單兵腰部助力裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動仿真分析[J].四川兵工學(xué)報(bào)，2013.（12）：17-23.

[3]高波.人工裝卸搬運(yùn)助力裝置研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[J].軍事物流，2014（12）：144-148.

[4]陳貴亮，郝春波，高卓黎，等.國家實(shí)用新型專利：“腰部助力外骨骼機(jī)構(gòu)”.

[5]梁文淵.可穿戴型并聯(lián)式髖關(guān)節(jié)助力機(jī)器人研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[6]李向攀.基于柔性氣壓驅(qū)動器的可穿戴式腰部助力機(jī)器人研究[J].自動化學(xué)報(bào)，2016（12）：1849-1858.

[7]張峻霞.髖關(guān)節(jié)助力外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].包裝工程，2018（16）：123-128.

[8]王翔.一種多功能助力搬運(yùn)裝置[J].山東工業(yè)技術(shù)，2016（16）：23-30.

[9]尹鵬，胡欣鈞，楊靚，等.國家發(fā)明專利：“一種智能型腰部被動助力外骨骼”.

[10]宋遒志.多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵工學(xué)報(bào)，2016（01）：25-28.

*通訊作者：肖恬恬，主要從事外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及士兵系統(tǒng)論證工作，研究方向有外骨骼、機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度仿真等。