在汽車制造領(lǐng)域的一線相關(guān)作業(yè)人員，經(jīng)常需要重復(fù)搬運(yùn)重物或長時(shí)間維持不符合人體工學(xué)的姿態(tài)進(jìn)行裝配作業(yè)，長期以來會(huì)導(dǎo)致腰部、背部等部位患有職業(yè)傷害。而外骨骼機(jī)器人的誕生在很大程度上改變了這種情況，不僅有效預(yù)防及減少職業(yè)傷害，同時(shí)還提高了生產(chǎn)效率。

外骨骼機(jī)器人在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

近年來,外骨骼機(jī)器人發(fā)展迅速,在汽車制造領(lǐng)域，國外汽車主機(jī)廠機(jī)械外骨骼的應(yīng)用比較廣泛。工人們會(huì)穿戴上機(jī)械外骨骼，在使用機(jī)械外骨骼的過程中，外骨骼能夠限制工人身上特定部位的壓力，以此來保護(hù)工人，防止工人受傷并且減輕疲勞。

1.上肢外骨骼機(jī)械

（1）動(dòng)態(tài)站立式作業(yè)

對(duì)于長時(shí)間站立作業(yè)，例如從事汽車零部件物流分揀、沖壓和焊裝工位間零部件搬運(yùn)、裝配等作業(yè)的人群，作業(yè)人員在不斷彎曲與直立兩種狀態(tài)中頻繁進(jìn)行切換，如果將外骨骼機(jī)器人引入此類作業(yè)中，員工穿戴上肢外骨骼可以有效降低作業(yè)人員腹部、脊椎和頸椎等部位的勞損度。

上肢外骨骼的設(shè)計(jì)重點(diǎn)部位設(shè)置在腹部與髖部的結(jié)合處，背部支撐桿貼合人體，其形狀與背部具有相似弧度，將髖關(guān)節(jié)與腹部結(jié)合點(diǎn)設(shè)計(jì)為3個(gè)自由度，以滿足作業(yè)人員6個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。由于助力部位為腰部及背部，外骨骼只需上半身穿戴即可。

（2）靜態(tài)站立式作業(yè)

通常用于長時(shí)間需要托舉工具來完成作業(yè)的人群。例如汽車總裝、焊裝車間車身底部零部件裝配、打磨和補(bǔ)焊等作業(yè)，作業(yè)人員上肢需要托舉工具長時(shí)間保持作業(yè)姿態(tài)。外骨骼機(jī)器人將作用于人體的壓力轉(zhuǎn)移至地面，其造型需貼合人體背部曲線，提高長時(shí)間靜態(tài)作業(yè)舒適度，從而有效防止頭頂作業(yè)造成的肩部損傷，幫助工人分擔(dān)重量來緩解工人的肩部壓力。

2.下肢外骨骼機(jī)械

通常用于汽車裝配流水線長時(shí)間保持半蹲姿態(tài)裝配、搬運(yùn)等作業(yè)人員。通過設(shè)置一個(gè)坐墊作為人體對(duì)外骨骼施壓的緩沖區(qū)域，在外骨骼的膝關(guān)節(jié)處設(shè)置限位，作業(yè)人員下蹲到一定角度時(shí)，將大腿和小腿部位的轉(zhuǎn)軸卡死，從而產(chǎn)生一個(gè)向上的支撐力。膝關(guān)節(jié)處的阻尼裝置為穿戴者下蹲時(shí)提供適當(dāng)速度的外力支持，降低作業(yè)者長時(shí)間下蹲對(duì)膝蓋的損傷。

機(jī)械外骨骼的設(shè)計(jì)

1.工作原理

機(jī)械外骨骼原理就是用高功率密度的驅(qū)動(dòng)裝置，非剛性連接套裝在人體外，輔助人類肢體運(yùn)動(dòng)，這是一種柔性、智能的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

力學(xué)傳動(dòng)原理與汽車的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有相通的部分。載貨汽車最早使用液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，現(xiàn)在也有液壓與機(jī)電混合，或者單純電動(dòng)的助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。通俗地說，就是原來用100N·m的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向盤，有了助力裝置，將可能用10N·m的轉(zhuǎn)矩就可以轉(zhuǎn)動(dòng)汽車的轉(zhuǎn)向盤。

外骨骼全身布置了傳感器，利用安裝在各部位的傳感器獲取各項(xiàng)數(shù)據(jù)，并傳遞到中央控制處理器，經(jīng)過計(jì)算來調(diào)整外骨骼的動(dòng)作，最后，通過驅(qū)動(dòng)裝置完成一系列動(dòng)作，如圖所示。

圖 外骨骼工作原理

2.控制技術(shù)

外骨骼機(jī)器人的控制模型可以分為感知層、控制層和決策層?？刂葡到y(tǒng)需要確保外骨骼能快速準(zhǔn)確地響應(yīng)人體的各種動(dòng)作，還要考慮外骨骼與不同穿戴者之間的默契，以適應(yīng)不同人群的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。

（1）感知層

人體感知和外骨骼系統(tǒng)上的傳感器通常用于采集外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的多個(gè)信息。通過信息融合技術(shù)將其融合后輸入決策層。再由控制系統(tǒng)從感知層獲取信息，包括人體生理信號(hào)、人體接觸信息、外骨骼運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)。

（2）控制層

分析處理感知層傳送的信息，確認(rèn)控制策略，控制協(xié)調(diào)人機(jī)系統(tǒng)。

（3）決策層

決策結(jié)果通過人機(jī)耦合接口傳入執(zhí)行層，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.機(jī)械結(jié)構(gòu)

首先，通過研究人體的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，選擇合適的自由度，從生物解剖學(xué)的角度出發(fā)，對(duì)外骨骼結(jié)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)化、主運(yùn)動(dòng)自由度分配等。不僅在運(yùn)動(dòng)形式上需要保持一致,而且在運(yùn)動(dòng)自由度分布上也要保持一致,確保穿戴者與外骨骼運(yùn)動(dòng)的一致性、穿著舒適、操作靈活，達(dá)到人機(jī)一體的效果。

（1）自由度分配

外骨骼各關(guān)節(jié)部位自由度越大，其靈活程度越大。人體上肢的高適應(yīng)性和柔韌性，各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)較為復(fù)雜。上臂通過肩關(guān)節(jié)連接軀干，前臂通過手肘關(guān)節(jié)連接上臂。肩關(guān)節(jié)設(shè)置2個(gè)自由度，手肘關(guān)節(jié)設(shè)置2個(gè)自由度，腕關(guān)節(jié)設(shè)置1個(gè)自由度。

人體行走過程中，下肢運(yùn)動(dòng)主要是在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生，身體其他部位運(yùn)動(dòng)都是用來保持人體平衡的。髖關(guān)節(jié)主要實(shí)現(xiàn)下肢的屈/伸運(yùn)動(dòng)，為了穿戴舒適性，髖關(guān)節(jié)設(shè)置2個(gè)自由度；膝關(guān)節(jié)是人體結(jié)構(gòu)中較為復(fù)雜的關(guān)節(jié)，在矢狀面內(nèi)做屈/伸運(yùn)動(dòng)，故設(shè)置1個(gè)自由度；踝關(guān)節(jié)為主要運(yùn)動(dòng)軸，繞額狀面做背屈趾/屈運(yùn)動(dòng)，設(shè)置1個(gè)自由度。

（2）材料選擇

目前常用材料有鋁合金、鈦合金、碳纖維、陶瓷等材料。外骨骼機(jī)器人除了成本和工藝外還要考慮以下幾方面：高強(qiáng)度材料的機(jī)器人不僅可以滿足其使用過程中強(qiáng)度要求，減少零部件截面積尺寸；外骨骼機(jī)器人為穿戴式結(jié)構(gòu)，輕量化材料的選擇不僅可以提高穿戴舒適性，減輕穿戴者的負(fù)擔(dān)，還可以節(jié)約機(jī)器人能源消耗；采用較大阻尼材料或增強(qiáng)阻尼，提高定位精度，以及手臂、下肢等在終止構(gòu)件運(yùn)動(dòng)后能平穩(wěn)停止，不會(huì)給人體造成身體損傷。

（3）安全限位

工作時(shí)外骨骼機(jī)器人與穿戴者直接捆綁接觸，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要符合安全要求，考慮人體關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角度。外骨骼的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度過大會(huì)造成穿戴者關(guān)節(jié)損傷和人體受傷等危險(xiǎn)，因此，設(shè)計(jì)限位裝置防止在控制系統(tǒng)出錯(cuò)或預(yù)期運(yùn)動(dòng)判斷錯(cuò)誤。

（4）承載能力

由于人體的負(fù)重大多是通過外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞至地面，接觸位置應(yīng)選擇人體承壓能力較好的區(qū)域，以及不影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域。通過采用小質(zhì)量/慣量運(yùn)動(dòng)零件、柔性關(guān)節(jié)、安全限位等設(shè)計(jì),減少意外碰撞過程中外骨骼對(duì)人的沖擊力。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

機(jī)械外骨骼的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)非自鎖，就是人通過強(qiáng)制扭動(dòng)就能對(duì)抗助力系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，從而避免助力系統(tǒng)非正常驅(qū)動(dòng)而造成被驅(qū)動(dòng)人體骨折。對(duì)于助力系統(tǒng)，意味著可以將人的姿態(tài)“定格”下來。

目前應(yīng)用在外骨骼機(jī)器人上的驅(qū)動(dòng)方式主要包括電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及人工肌肉驅(qū)動(dòng)等。

1.電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式

外骨骼機(jī)器人電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有兩種：一種是在關(guān)節(jié)部位上直接安裝盤式電動(dòng)機(jī)，利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易維護(hù)；缺點(diǎn)是受到電動(dòng)機(jī)尺寸的限制，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)十分笨重。另一種是利用電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)推桿一般由電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿組成，電動(dòng)機(jī)通常為直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲桿的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使絲桿帶動(dòng)外骨骼機(jī)器人手臂、腿、足部分別繞髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)等做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.液壓驅(qū)動(dòng)方式

液壓驅(qū)動(dòng)是以液體（液壓油）為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞的一種傳動(dòng)方式，包括動(dòng)力裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、輔助裝置和工作介質(zhì)五部分。通過外骨骼傳感系統(tǒng)將人體相關(guān)信息實(shí)時(shí)采集傳至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)控制算法生成控制量傳至伺服閥，動(dòng)力裝置液壓泵將液壓能通過控制裝置傳遞給執(zhí)行裝置液壓缸，液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能推動(dòng)活塞桿做直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)伺服閥的開口大小調(diào)節(jié)來控制執(zhí)行裝置液壓缸活塞桿的位置及速度，推動(dòng)各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、體積小且推動(dòng)力大，因液壓油具有不可壓縮性，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

3.氣壓驅(qū)動(dòng)方式

氣壓驅(qū)動(dòng)是以空氣為工作介質(zhì)進(jìn)行能量傳遞的一種傳動(dòng)方式，其原理與液壓驅(qū)動(dòng)相似，其優(yōu)點(diǎn)為無污染、反應(yīng)速度快等。不足之處是氣體可壓縮特性，其推力小，運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和精確性較差。

4.人工肌肉驅(qū)動(dòng)方式

人工肌肉是指一種沒有肌肉功能只有表面裝飾作用的合成材料，用于整形修補(bǔ)，具有一定肌肉伸縮功能的由硅橡膠和滌綸制成的，體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單且容易控制的仿生學(xué)的產(chǎn)品。采用人工肌肉的驅(qū)動(dòng)方式充分利用擬人化的設(shè)計(jì)思想，自身材料的可伸展性，不需要像其他驅(qū)動(dòng)方式那樣考慮到是否會(huì)過行程，因此比較安全。

外骨骼機(jī)器人每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)都有兩個(gè)人工肌肉來回收縮，使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使外骨骼機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。人工肌肉具有較好的柔韌性，不會(huì)給穿戴者造成傷害，輸出力較大，能量轉(zhuǎn)換效率高。

傳感器

外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中，人是控制中心，外骨骼控制器利用置于人體和外骨骼機(jī)器人上的壓力傳感器、力矩傳感器、肌電傳感器、加速度傳感器和編碼器等監(jiān)測(cè)元件，實(shí)時(shí)精確獲取穿戴者的姿態(tài)、速度、加速度和受力等信息。通過對(duì)人體一系列的信息感知測(cè)量，處理器將對(duì)比這些信息，從而分析、計(jì)算出各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)所需力矩大小，控制相應(yīng)部位的驅(qū)動(dòng)模塊工作。同時(shí)控制器對(duì)人體和外骨骼的運(yùn)動(dòng)狀況進(jìn)行比較分析，形成反饋量，從而確保外骨骼能快速精確地響應(yīng)人體動(dòng)作。

目前，獲得人類意圖有兩種方式。

1.直接獲取

其中，直接獲取操作者意圖可以從EMG數(shù)據(jù)、人和機(jī)器人之間的交互力中獲得。目前直接獲取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，如EMG的數(shù)據(jù)噪聲、建模和校準(zhǔn)的難度都很大；間接獲取的方法是從外骨骼關(guān)節(jié)獲取數(shù)據(jù)、估計(jì)操作者意圖然后放大運(yùn)動(dòng)效果。

2.間接獲取

目前絕大部分外骨骼都是間接獲取操作者意圖，其方法主要是通過外骨骼硬件檢測(cè)信號(hào)來估計(jì)人類意圖。這種方法也有一定問題，目前比較嚴(yán)重的就是無法區(qū)分操作者的力和外力，這樣的話外界的力也會(huì)使得外骨骼機(jī)器人判斷出錯(cuò)，有可能導(dǎo)致外骨骼機(jī)器人不穩(wěn)定或者失控。

結(jié)語

目前，國內(nèi)外大部分外骨骼機(jī)器人還處于試驗(yàn)測(cè)試階段，尤其國內(nèi)汽車主機(jī)廠，外骨骼機(jī)器人應(yīng)用十分稀缺，需要加強(qiáng)外骨骼機(jī)器人在傳感器、驅(qū)動(dòng)方式、材料和能源等方面的不斷創(chuàng)新，增強(qiáng)汽車制造業(yè)體力勞動(dòng)者能力，提升外骨骼機(jī)器人的柔性化程度及智能化程度，從而保證外骨骼機(jī)器人更好地為人類服務(wù)。