多場(chǎng)景適用下的上肢外骨骼設(shè)計(jì)分析

夏天　孫薇

摘要：就當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和國(guó)家對(duì)服務(wù)型裝備中的人員裝備需求，對(duì)比近年來(lái)國(guó)內(nèi)外在外骨骼領(lǐng)域的設(shè)計(jì)成果，完成了對(duì)上肢外骨骼形態(tài)及其機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，裝備根據(jù)對(duì)上肢活動(dòng)生物學(xué)的分析，和對(duì)上肢活動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及自由度進(jìn)行的描述為基礎(chǔ)。針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)場(chǎng)景，上肢外骨骼進(jìn)行了具有針對(duì)性地減震及其多自由度設(shè)定，為外骨骼在多場(chǎng)景下的適用設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)方案，也為今后的外骨骼設(shè)計(jì)提供可參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：外骨骼;多場(chǎng)景適用;上肢外骨骼設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）06-0157-02

近年來(lái)，隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和相關(guān)配產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展，對(duì)于勞動(dòng)者的應(yīng)用場(chǎng)景的要求也相應(yīng)提高，對(duì)于上肢運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)強(qiáng)度也越來(lái)越強(qiáng)，勞動(dòng)者需要進(jìn)行大量的重復(fù)性高強(qiáng)度勞動(dòng)，單純地通過(guò)自身上肢肌肉強(qiáng)度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從勞動(dòng)時(shí)效到勞動(dòng)強(qiáng)度都很難達(dá)到要求，同樣還會(huì)造成對(duì)勞動(dòng)者自身的身體傷害。

為解決上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外院校及其實(shí)驗(yàn)室、企業(yè)等均對(duì)上肢外骨骼進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，當(dāng)前大多數(shù)對(duì)自由度上肢外骨骼機(jī)構(gòu)采取了將機(jī)構(gòu)串聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)進(jìn)行輔助運(yùn)動(dòng)的效果，但是對(duì)于復(fù)雜的肢體活動(dòng)來(lái)說(shuō)，采用簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)連接方式功能難以達(dá)到需求，僅能夠?qū)崿F(xiàn)某些特定功能的效果。

當(dāng)前外骨骼的研究在面對(duì)現(xiàn)實(shí)需求中一味地追求控制傳感系統(tǒng)以及執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)，缺乏對(duì)場(chǎng)景的適用性等方面的考慮，因此要從適用環(huán)境出發(fā)去研究設(shè)計(jì)，遵循人體對(duì)場(chǎng)景的需求，形成高效的機(jī)械和傳動(dòng)系統(tǒng)，將人機(jī)——環(huán)境真正地融入到實(shí)際的產(chǎn)品和使用環(huán)境中去。

因此，基于現(xiàn)有的研究成果，就多場(chǎng)景多自由度上肢外骨骼機(jī)構(gòu)的需求，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)能夠滿足不同上肢活動(dòng)需求人群的上肢外骨骼。

1外骨骼概述

人類(lèi)一直以來(lái)都在追求突破自身的生理極限，用以獲得更多的力量和耐力，對(duì)自然界長(zhǎng)時(shí)間的觀察研究中，人們?cè)诎l(fā)現(xiàn)諸多節(jié)肢類(lèi)生物，如蝦、蟹、昆蟲(chóng)等，這些節(jié)肢類(lèi)生物能夠通過(guò)自身堅(jiān)硬的外殼支撐和保護(hù)身體組織，由此通過(guò)仿生學(xué)逐漸形成了外骨骼技術(shù)，外骨骼技術(shù)的發(fā)現(xiàn)讓人類(lèi)突破自身極限的想法有了新的突破點(diǎn)。

簡(jiǎn)單的說(shuō)，外骨骼就是一種穿戴在人體上的機(jī)械裝置，是一種通過(guò)外在裝置來(lái)進(jìn)行人工干預(yù)人體活動(dòng)的機(jī)器人。外骨骼的形式與節(jié)肢動(dòng)物體表堅(jiān)韌的幾丁質(zhì)的外骨骼相類(lèi)似，能夠給人體提供一定量的保護(hù)，以及提供人體原本體能以外的能量。通過(guò)外骨骼對(duì)人體肌肉和骨骼運(yùn)動(dòng)的干預(yù)，將人的智力和機(jī)器人的“體力”完美結(jié)合，達(dá)到為穿戴者提供額外的力量用以支撐、運(yùn)動(dòng)、輔助作業(yè)等功能，得以減輕作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少作業(yè)時(shí)間，提高工作效率。

2多場(chǎng)景適用下的外骨骼設(shè)計(jì)的意義

目前，在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，生產(chǎn)作業(yè)人員有著需要長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)并維持多種肢體動(dòng)作的工作需求，甚至要保證長(zhǎng)時(shí)間高質(zhì)量進(jìn)行生產(chǎn)，作業(yè)人員在工作中會(huì)存在的肢體疲勞度上升、注意力下降和反應(yīng)遲緩等生理反應(yīng)，通過(guò)外骨骼的加持可以得到有效的緩解，直接提升工業(yè)生產(chǎn)的效率，作業(yè)勞動(dòng)的危險(xiǎn)l生也將會(huì)隨之降低。

當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的現(xiàn)實(shí)狀況是十分復(fù)雜且具體的，在制造業(yè)、礦產(chǎn)業(yè)、建筑業(yè)、甚至包括很多特種行業(yè)均有類(lèi)似的情況。因此，設(shè)計(jì)一款不僅能夠提升工作效率，還可以保護(hù)勞動(dòng)者自身健康和勞動(dòng)安全的輔助設(shè)備，同時(shí)還能兼顧當(dāng)前多種環(huán)境生產(chǎn)需要的外骨骼，是解決當(dāng)前作業(yè)工人在實(shí)際生產(chǎn)和設(shè)備需求矛盾最直接的方法。

外骨骼可以具有針對(duì)性地設(shè)計(jì)并用以符合生產(chǎn)作業(yè)中對(duì)工作效率、工作強(qiáng)度和適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的需求，同時(shí)還可以滿足在不同生產(chǎn)作業(yè)中的特殊要求，在保證降低勞動(dòng)傷害和環(huán)境傷害的風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)提升生產(chǎn)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，并且對(duì)未來(lái)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和產(chǎn)品迭代也帶了相應(yīng)的助力和新的生產(chǎn)思路。

3多場(chǎng)景適用下的上肢外骨骼設(shè)計(jì)分析

3.1上肢關(guān)節(jié)自由度設(shè)定分析

人體具有多元的組織結(jié)構(gòu)，僅就上肢就包含了豐富的肌肉和復(fù)雜的骨骼及其關(guān)節(jié)，例如，肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)，這幾個(gè)關(guān)節(jié)為上肢提供了豐富的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和廣域的活動(dòng)范圍，當(dāng)外骨骼滿足所增持關(guān)節(jié)的活動(dòng)規(guī)律時(shí)，便可以提高適用人群的活動(dòng)效率和接觸能力。

在上肢具體活動(dòng)中，肩關(guān)節(jié)復(fù)合體由胸骨、鎖骨、肩胛骨、肱骨、肋骨以及連接上述骨骼的囊腔和韌帶構(gòu)成。肩關(guān)節(jié)復(fù)合體包括胸鎖關(guān)節(jié)、肩鎖關(guān)節(jié)、肩胛胸關(guān)節(jié)和盂肱關(guān)節(jié)四個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)。與肩部復(fù)合體相比，肘與前臂復(fù)合體和腕部的骨骼結(jié)構(gòu)和肘與前臂復(fù)合體由肱骨、橈骨和尺骨構(gòu)成均較為簡(jiǎn)單。

作業(yè)工人在作業(yè)時(shí)，所有上肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)包含了胸鎖關(guān)節(jié)的上抬——下降、前伸——后縮和向后旋轉(zhuǎn)這三個(gè)動(dòng)作，同時(shí)肩鎖關(guān)節(jié)包含有上——下旋、內(nèi)——外旋和前——后傾斜。與之相近的肩胛胸關(guān)節(jié)則有上抬——下降、前伸——后縮和上——下旋。從肩部向下延伸到肘部復(fù)合體，其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)為肘屈——伸和旋前——后，同時(shí)腕部也有兩個(gè)姿態(tài)，為腕屈——伸和橈偏——尺偏。

依據(jù)以上對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的描述，結(jié)合適用環(huán)境可知，上肢外骨骼可以由肩部3自由度，包括肩關(guān)節(jié)（前伸——后伸活動(dòng)角度、外展——內(nèi)收活動(dòng)角度、旋內(nèi)——旋外活動(dòng)角度）、肘關(guān)節(jié)（屈——伸活動(dòng)角度）、前臂（旋內(nèi)——旋外活動(dòng)角度）的上肢外骨骼運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)是由五個(gè)串聯(lián)的轉(zhuǎn)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為串聯(lián)活動(dòng)機(jī)構(gòu)。

因此，外骨骼可以針對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在保證人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)正常的情況下，構(gòu)建完整的上肢運(yùn)動(dòng)體系。在具體的生產(chǎn)作業(yè)中，外骨骼通過(guò)增持肩部、肘部和腕部的配合、加強(qiáng)相應(yīng)的力量和耐久度的擴(kuò)展，從而提高了上肢在多場(chǎng)景使用中的活動(dòng)能力。

3.2背部減震機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

在實(shí)際使用中使用者與外骨骼是直接接觸的，無(wú)論是機(jī)械裝置自身重量還是在運(yùn)行中由于機(jī)械振動(dòng)引起的負(fù)載，加之在使用中提取的重物等因素造成的負(fù)載，這些負(fù)載都是直接傳遞給使用者自身，通過(guò)對(duì)外骨骼增加減震機(jī)構(gòu)，使得外骨骼對(duì)使用者的傷害降至最低，也對(duì)穿戴過(guò)程中的持久度進(jìn)一步提升。

如圖1所示，通過(guò)在背部增加兩個(gè)方向的減震，當(dāng)肩部連接軸的重量傳遞至整個(gè)背板區(qū)，在通過(guò)減振和連接臂傳遞至脊椎撐桿，尤其在左右共同使用時(shí)，負(fù)載將共同作用在脊椎撐桿上，使用者只需要承擔(dān)其承擔(dān)的重力，其作用力在使用者的重心區(qū)，將直接對(duì)使用者所承受的力進(jìn)一步消減，是外骨骼作用力進(jìn)一步體現(xiàn)。

4結(jié)語(yǔ)

在本次對(duì)外骨骸設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)整合之前對(duì)人、機(jī)器和環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，以作業(yè)人員對(duì)生產(chǎn)勞動(dòng)的實(shí)際需求作為目標(biāo)，盡最大努力保護(hù)穿戴人員在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的危險(xiǎn)，同時(shí)突出了及時(shí)性和便捷性的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中還在接觸面外包裹了隔離材質(zhì)，保障了穿戴的舒適性，在上肢運(yùn)動(dòng)中，手臂在大腦的控制下通過(guò)肩部、肘部和腕關(guān)節(jié)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)使上肢活動(dòng)，并且完成相應(yīng)的動(dòng)作，相應(yīng)外骨骼在通過(guò)多自由度設(shè)計(jì)、柔性剛度電機(jī)和人機(jī)行為決策程序的結(jié)合，使外骨骼運(yùn)動(dòng)的遲滯性得到了有效地緩解，可以滿足多種上肢活動(dòng)對(duì)人機(jī)協(xié)同的描述，外骨骼運(yùn)行可信并且滿足活動(dòng)要求，幫助穿戴人員可以更快更好地完成工作，同時(shí)為降低運(yùn)動(dòng)控制難度，讓使用者無(wú)需進(jìn)行特殊的訓(xùn)練即可具備對(duì)上肢外骨骼進(jìn)行控制并使用。

本文圍繞外骨骼多場(chǎng)景應(yīng)用中面臨的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)上肢外骨骼適用場(chǎng)景，人機(jī)運(yùn)動(dòng)描述等基礎(chǔ)性問(wèn)題的分析，結(jié)合機(jī)械特性和人機(jī)功效等技術(shù)的加持，對(duì)多場(chǎng)景下外骨骼機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，創(chuàng)新性地提出了背板減振設(shè)計(jì)，促進(jìn)了今后外骨骼的多場(chǎng)景實(shí)用化應(yīng)用，為今后外骨骼研究提供參考。