一種可穿戴式新型助力裝置的研究

李任偉 劉君

摘 ? 要：針對(duì)迅猛發(fā)展的快遞行業(yè)，解決家電類(lèi)箱式貨物運(yùn)送難的問(wèn)題，本項(xiàng)目采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和先進(jìn)材料作為研發(fā)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)輕便、實(shí)用的可穿戴式助力裝置，該裝置具有平地充當(dāng)拖車(chē)作用，上樓扶持貨物和遙控升降裝卸貨功能，分析了該裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)創(chuàng)新性，對(duì)于搬運(yùn)助力裝置領(lǐng)域的研究工作及未來(lái)發(fā)展方向，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：穿戴式 ?助力裝置 ?裝卸搬運(yùn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TH789 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）08（c）-0056-02

1 ?國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)可穿戴人體助力器的研究成果大多都針對(duì)老年人、醫(yī)療和軍事應(yīng)用方面。美國(guó)和日本是研究人體外骨骼助力裝置最早的國(guó)家，將人工裝卸搬運(yùn)助力裝置視為人的靈活性、機(jī)動(dòng)性、智慧性與助力裝置的有機(jī)結(jié)合，并且都有一定的研究成果。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了一種可負(fù)重的動(dòng)力型外骨骼 BLEEX系統(tǒng)，該系統(tǒng)靠液壓驅(qū)動(dòng)，可以完整完成下肢7個(gè)自由度的活動(dòng)[1]。日本研發(fā)了PAS氣壓動(dòng)力服，該氣壓動(dòng)力服是一種專(zhuān)門(mén)為醫(yī)護(hù)人員設(shè)計(jì)的外骨骼裝置，該裝置包括肩部、手臂、腰及腿部等結(jié)構(gòu)，依靠氣動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，可以輔助醫(yī)護(hù)人員看護(hù)行動(dòng)不便的患者[2]。我國(guó)中科院和浙江大學(xué)等針對(duì)日益增多的腦卒中病人康復(fù)訓(xùn)練需求，研發(fā)了傳感系統(tǒng)控制的新型的外骨骼機(jī)器人[3，4]。外骨骼穿戴式助力機(jī)器人雖然能夠輸出較大的助力，但由于其龐大的外骨骼框架， 加之復(fù)雜的傳感系統(tǒng)，并且造價(jià)昂貴，導(dǎo)致適用范圍小，實(shí)用價(jià)值并不樂(lè)觀[5]。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)消費(fèi)的日益增加，貨物運(yùn)輸總量逐年呈直線上升趨勢(shì)，導(dǎo)致配送工人壓力越來(lái)越大。尤其是體積大型箱式貨物，在外界條件有限的情況下，只能由人來(lái)完成最后的運(yùn)送，在此過(guò)程中搬運(yùn)工人存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、行走不便和爬樓困難等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了工作效率。經(jīng)過(guò)前期市場(chǎng)調(diào)研，國(guó)內(nèi)外快遞配送行業(yè)，除助力推車(chē)類(lèi)器械外，市場(chǎng)上少有便攜可穿戴式的助力裝置，市場(chǎng)處于一種急需狀態(tài)。所以，本項(xiàng)目針對(duì)物流快遞行業(yè)，研發(fā)一款便攜助力裝置具有市場(chǎng)創(chuàng)新性。

2 ?研究?jī)?nèi)容

2.1 設(shè)計(jì)思路

（1）產(chǎn)品的模擬仿真：通過(guò)計(jì)算機(jī)制圖仿真，模擬產(chǎn)品的整體構(gòu)造及運(yùn)行過(guò)程;

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：通過(guò)模擬的結(jié)果及市場(chǎng)的調(diào)研實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu);

（3）材料的選擇與試驗(yàn)：根據(jù)產(chǎn)品各部位功能的特點(diǎn)，選擇能滿足力學(xué)條件的理想輕質(zhì)材料，通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)，確定最終選材;

（4）控制系統(tǒng)試驗(yàn)與選配：根據(jù)設(shè)計(jì)理念，需將電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行改裝，進(jìn)行電池匹配，完成整個(gè)控制系統(tǒng)的測(cè)試工作;

（5）產(chǎn)品的裝配和調(diào)試;

（6）產(chǎn)品試驗(yàn)階段。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

本裝置采用機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和先進(jìn)材料作為研發(fā)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)合理性和安全性（裝置與人體匹配的舒適性、自由性的體現(xiàn)），在機(jī)械控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入遙控控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)伸縮桿調(diào)整拖物平臺(tái)高度，可以使拖物平臺(tái)落地后充當(dāng)拖車(chē)功能，抬起后充當(dāng)手臂拖物功能，增強(qiáng)了人的自由操控性和安全性，控制系統(tǒng)采用超級(jí)微鋰電池和改裝電機(jī)構(gòu)成，整體的主體材料采用復(fù)合碳纖維和航空鋁。

3 ?功能簡(jiǎn)介

該裝置主要針對(duì)家電類(lèi)箱式貨物研發(fā)，穿戴人體上，可實(shí)現(xiàn)平地拖車(chē)、上樓扶持貨物和遙控升降裝卸貨功能，有效提高工人的工作效率、安全性和自由性。產(chǎn)品展開(kāi)狀態(tài)示意圖如圖1。該裝置主要由（1）電機(jī)系統(tǒng);（2）穿戴系統(tǒng);（3）升降系統(tǒng);（4）拖物折疊系統(tǒng)組成。圖2和圖3分別為工作人員模擬平地工作和爬樓工作時(shí)的效果圖，工作人員在平地搬運(yùn)貨物過(guò)程中，此助力裝置可以充當(dāng)拖車(chē)使用，在從平地過(guò)渡到爬樓過(guò)程時(shí)，可將物體背起，通過(guò)遙控系統(tǒng)調(diào)節(jié)伸縮桿長(zhǎng)度來(lái)控制重物高度，節(jié)省了勞動(dòng)力、提高了工作效率和安全性。

4 ?產(chǎn)品創(chuàng)新性

（1）多功能創(chuàng)新：綜合考慮人在徒手運(yùn)送貨物過(guò)程中存在的困難，本產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)平地拖車(chē)、上樓輔助和遙控升降裝卸功能，提高了工人工作效率并節(jié)省體力消耗;

（2）技術(shù)創(chuàng)新：脫離了單純的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，引入了遙控控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遙控器控制產(chǎn)品各項(xiàng)功能，增強(qiáng)了人的自由操控性;

（3）設(shè)計(jì)創(chuàng)新：利用物理力學(xué)分解原理，將貨物重力分配到人的肩部、后背和腰部，防止身體的局部單一受力而導(dǎo)致受傷，符合人體結(jié)構(gòu)學(xué);

（4）材質(zhì)創(chuàng)新：產(chǎn)品材料將采用航空鋁和碳纖維復(fù)合材料，使產(chǎn)品最大輕量化，以達(dá)到便攜的目的。

5 ?結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外助力裝置的發(fā)展現(xiàn)狀得出，針對(duì)老人、醫(yī)療和軍事行業(yè)的助力裝置已經(jīng)比較成熟，但是很少有關(guān)于針對(duì)物流行業(yè)人工便攜助力裝置研發(fā)的相關(guān)報(bào)道。本項(xiàng)目研發(fā)從裝置的內(nèi)容、特點(diǎn)、功能和創(chuàng)新性進(jìn)行介紹，在這個(gè)互聯(lián)網(wǎng)購(gòu)物飛速發(fā)展的社會(huì)，未來(lái)的快遞行業(yè)對(duì)貨物的配送將面臨前所未有的壓力，本項(xiàng)目的研發(fā)不僅具有極大的創(chuàng)新性，而且具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

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