工業(yè)外骨骼應用現(xiàn)狀及展望

段崇 楊璽 鄧宇

摘? 要：當今社會計算機信息技術和自動化技術飛速發(fā)展，以此為基礎的現(xiàn)代制造技術發(fā)展的總趨勢是向精密化、數(shù)字化、柔性化、集成化、虛擬化、智能化的方向發(fā)展。飛機制造作為制造業(yè)中的最先進技術的代表，也正向數(shù)字化、信息化和設計制造試驗一體化的方向發(fā)展。本文對數(shù)字化裝配技術及其應用進行回顧、總結(jié)，介紹了數(shù)字化裝配系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成技術的典型應用和關鍵技術。

關鍵字：外骨骼;工業(yè);助力

引言

進入21 世紀后，隨著計算機、新材料、新能源和傳感等技術的突破，外骨骼機器人的研究開始復蘇，并逐漸進入爆發(fā)期。美國和日本在外骨骼機器人的研究上起步較早，研究成果和專利也更為豐富，先后加入外骨骼機器人研究的有美國伯克利仿生科技公司、美國雷神公司、美國洛克希德·馬丁公司、美國哈佛大學、日本神奈川理工大學、日本Cyberdyne 科技公司、韓國現(xiàn)代汽車集團、以色列ReWalk Robotics 公司等。而中國的外骨骼機器人目前仍以學術研究為主，中國科學院、電子科技大學、北京航空航天大學等都在開展外骨骼機器人的研究。

1 外骨骼機器人的分類

外骨骼機器人主要有兩大應用領域，分別為增強型、康復型。增強型主要在于軍事和工業(yè)用途上;康復型主要應用于醫(yī)療領域，幫助行動不便者重獲行走能力。

工業(yè)用途的外骨骼主要有3 種類型：（1）工業(yè)裝配外骨骼，它主要用于生產(chǎn)裝配車間，為工人提供長時間靜態(tài)支撐;（2）力量輔助型外骨骼，它主要用于力量輔助、重物搬運和工具操控;（3）工具支撐型外骨骼，它主要用于輔助支撐多種類型工具。本文主要探討工業(yè)裝配外骨骼機器人的發(fā)展現(xiàn)狀。

2 工業(yè)裝配外骨骼

工業(yè)裝配領域存在快節(jié)奏、高度重復以及費力的手部工作，裝配工人往往需要以非中性的身體姿勢去操縱工具，其肌肉骨骼會受到一些來自外部的機械壓力和振動沖擊，這些都是誘發(fā)與工作相關肌肉骨骼疾病的重要因素。

根據(jù)2013 年的數(shù)據(jù)，在德國，工人每天由于肌肉骨骼疾病而損失約23.2% 的有效工作時長，而且這個數(shù)字隨著年齡的增長而增加：在55 歲以上的人群中，這個數(shù)字已經(jīng)達到了35% 以上。每年由于肌肉骨骼疾病造成的經(jīng)濟損失高達200 億歐元（2013 年數(shù)據(jù)）。

工業(yè)裝配外骨骼與力量輔助型和工具支撐型外骨骼不同，它主要應用于工業(yè)流水線，用于減輕裝配工人的工作負荷，保護裝配工人肌肉骨骼，減少裝配工人肌肉骨骼累積損傷，從而減小裝配工人患WMSDs 的風險。因此，工業(yè)裝配外骨骼作為解決工人肌肉骨骼損傷問題的主要輔助工具，已成為裝配領域的一個研究熱點。根據(jù)作用部位的不同，工業(yè)裝配外骨骼可以分為肩部助力、腰背部助力、腿部助力三種形式。

2.1 肩部助力外骨骼

2.1.1 EksoVest

EksoVest 是Ekso Bionics 公司設計生產(chǎn)的一種肩部助力外骨骼，具有輕量級、體積小、穿戴舒適、運動靈活的特點。它自重約4.3kg，能夠調(diào)節(jié)尺寸以適應不同體型的用戶穿戴，可以在工人抬起手臂的過程中提供2.2 ～ 6.8kg 的助力，幫助他們完成胸部以上到頭頂區(qū)域的各種操作。該型產(chǎn)品已經(jīng)在福特、林肯等多家企業(yè)得到了應用。

2.1.2 MATE

MATE 是柯馬（COMAU）公司發(fā)布的一款便攜式被動肩部助力外骨骼，在手工和重復性的工作中，MATE 將工人的手臂承受的大部分力轉(zhuǎn)移到骨盆，減輕了工人的疲勞。該型產(chǎn)品已經(jīng)在汽車制造行業(yè)得到初步應用。

2.1.3 Paexo

Paexo 是世界最大假肢生產(chǎn)企業(yè)之一的Ottobock 公司于2015 年推出的一款肩部助力外骨骼。它重量只有不到2kg，活動自如，而且不需要能量供應。可以幫助工業(yè)、物流和貿(mào)易部門的工人，顯著減少在頭頂和肩膀以上高度進行工作時，肩部肌肉和關節(jié)的受力情況。

2.2 腰背部助力外骨骼

2.2.1 BackX

BackX 是SuitX 公司設計生產(chǎn)的一種腰背部助力外骨骼，它能在佩戴者彎腰、舉起物體、彎曲或伸展時，為佩戴者提供助力，將佩戴者下背部區(qū)域上的力和扭矩平均降低60%，降低工人背部受傷的風險。

2.2.2 Laevo V2

Laevo V2 是一款由荷蘭Laevo exoskelet 公司生產(chǎn)的可穿戴腰部和背部助力外骨骼。它結(jié)構(gòu)簡單，適合各種姿勢，能將其他部位的受力轉(zhuǎn)移到大腿上，顯著降低脊椎和背部肌肉承受的力，保護腰部和背部。

2.3 腿部助力外骨骼

2.3.1 LegX

LegX 是SuitX 一種腿部助力外骨骼，允許佩戴者反復或長時間蹲下，減少膝關節(jié)和腿部肌肉肌的受力。它能夠智能識別行走、上/ 下樓梯和蹲坐，使行動暢通無阻，僅在需要時提供支撐。

2.3.2 Chairless Chair

Chairless Chair 是一款由NOONEE 公司生產(chǎn)的腿部助力外骨骼。它通過腰部和腿部的束縛帶固定到使用者身上，外骨骼上的關節(jié)結(jié)構(gòu)可以保證使用者的自由活動。當使用者需要固定下來時，它可以隨時鎖定到位，把外骨骼變成椅子。讓使用者能夠在幾乎任何情況下坐下休息，能夠在工廠、手術室和公共交通等場景中使用，以減少因長期站立而產(chǎn)生的疲勞和疼痛。該產(chǎn)品已經(jīng)在奧迪和寶馬汽車的生產(chǎn)線上得到了初步測試。

3 存在的問題

（1）外骨骼技術本身正處在快速發(fā)展迭代的時期，新設計、新技術不斷涌現(xiàn)和加入，產(chǎn)品的外觀、功能、性能發(fā)展變化很快。這對于技術自身的發(fā)展是好事，但對用戶來說則不然。用戶只需要等待較短的時間即可等來下一代產(chǎn)品，功能與性能得到提升，價格降低，這使得之前的產(chǎn)品顯得折舊過快。而且某一代產(chǎn)品的生產(chǎn)線維持時間短，產(chǎn)品后續(xù)的使用、維護極有可能面臨配件缺乏的困境。

（2）外骨骼技術正處于快速發(fā)展成長期，市場上能提供外骨骼產(chǎn)品的廠家數(shù)量眾多，技術方案各異，技術水平參差不齊，給用戶選擇產(chǎn)品帶來了困難。

（3）當前市場上只有一些國外企業(yè)能夠提供相對成熟的外骨骼產(chǎn)品，價格較高，不利于產(chǎn)品的大規(guī)模推廣。

（4）外骨骼產(chǎn)品未得到大規(guī)模應用與驗證，其技術水平、效果、可靠性、安全性都未得到驗證。在使用過程中需要固定到人體上，但是人體結(jié)構(gòu)不是完全相同的，導致外骨骼機器人難以普遍適應所有人群。外骨骼在使用過程中需要與人體緊密接觸，產(chǎn)品的安全性也需要時間的檢驗。

（5）工業(yè)裝配外骨骼普遍只能起到輔助定姿的作用，不能提供動力。

4 結(jié)語

隨著社會進步和勞動力成本的上升，工人的健康問題越來越受到重視，高處作業(yè)和肌肉骨骼疾病之間的直接關系已被證實。同時由于人們生活水平的提高和人口老齡化的到來，降低勞動強度，改善工人的勞動環(huán)境將成為必然趨勢。外骨骼提供的外力輔助有助于減少與工作相關的健康危害、工作時間和事故，因此從長遠來看，外骨骼的市場前景是非?？捎^的。但是從短期來看，生產(chǎn)研制外骨骼的廠家需要經(jīng)過一段時間的市場競爭與優(yōu)勝劣汰，外骨骼的技術方案也需要經(jīng)過進一步的發(fā)展與迭代，距離工業(yè)化大規(guī)模推廣應用還有一段距離。

參考文獻

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