腰部助力型外骨骼研究現狀分析

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的穿戴式外骨骼，其已在國內外迅速發展，被廣泛應用于軍事、民用的各個領域。本文介紹了腰部助力型外骨骼的國內外發展現狀，對該型外骨骼在軍用于民用領域的應用需求與前景進行了梳理，并分析了針對腰部助力型外骨骼設計與研究的多項關鍵技術。

關鍵詞：外骨骼;腰關節;輔助機器人

1 概述

近年來，各型軍用、民用外骨骼在國內外快速發展，控制、結構和能源等關鍵技術水平愈發成熟。與此同時，隨著軍事、物流、建筑與醫學等相關領域對人員搬運、托舉重物的需求飛速增長，腰部助力型外骨骼的設計開發與應用逐漸被國內外各研究所、高校及企業所重視。

看護人員、快遞員與搬運等職業人員在工作中腰部受力頻繁，負荷較大，易出現脊柱與腰椎損傷[1]。而在軍事領域中，火炮裝填手在裝填炮彈時腰部也會受大極大的負荷[2]。

腰部助力型外骨骼是一種可輔助人搬運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，均衡分配負載重量，幫助人體承擔舉起、放下物體時腰部所受的力，以減輕腰部負擔，并大幅提高搬運效率[4]。

目前，該型外骨骼是近年來的熱點研究方向，已在國內外迅速發展，其研究內容包括人體運動學原理、仿生結構設計、人-機耦合控制、多傳感器信息融合、人體運動意圖判別等方面，被廣泛應用于在軍事、建筑、物流等領域[5]。

2 發展現狀

針對腰部助力型外骨骼，研制較為成熟的腰關節助力型外骨骼多出于歐美與日韓。德國Fraunhofer工程研究機構研制的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荷，最大可幫助人體搬運15kg負重;日本Atoun公司的Model Y電動外骨骼采用了倒Y型設計，像背包一樣可穿戴;韓國現代集團研制的H-WEX腰部助力外骨骼則可在一秒鐘內可彎曲180度，采用單電機為兩腿提供動力，其控制系統可以與手機進行集成。

國內京東物流研發的鐵甲鋼拳是一款氣電混合動力型腰關節助力型外骨骼，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腰外骨骼則是一款無動力腰部助力外骨骼，采用純物理機械原理，通過外骨髂的支撐作用，將人體彎腰前傾時產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 關鍵技術

3.1 驅動方式

目前，有源腰部助力外骨骼常采用的驅動方式主要有電機、液壓、電推桿、氣動肌肉等。電機驅動具有標準化程度高、易于自動化控制、結構簡單等優點，但同時其慣性大、換向慢、體積大。氣動驅動成本低、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]。

無源系統則多采用彈簧作為儲能形式，或者通過鋼絲繩，轉輪相組合的形式，實現長距離力或力矩的傳遞。利用彈簧在人體彎腰時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。但由于系統缺少外部能量，系統輸出的助力相對較小，且無法根據外在負載變化進行實時調節[7]。

3.2 結構形式

此類外骨骼功能相對單一、結構形式簡單[8]。整體結構形式主要分為背架、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構的連接單元與驅動的固定平臺[9]。其結構形式一般采用驅動矢狀面內的單一屈伸自由度，或者采用主被動相結合的方式，提高系統的靈活性;腿部單元一般通過彈性材料綁帶與大腿固定。

結構系統與人體之間匹配性矛盾在于為了符合人體運動需求，需增加關節驅動，其控制復雜度與系統能耗也會相應增加，采取主被動相結合的方式是解決該問題的方法之一[10]。

3.3 控制系統

人體運動意圖感知與人機協同控制是此類外骨骼控制系統的關鍵技術點。期中，人體運動意圖目前多采用基于肢體的感知技術，即通過傳感器感知軀干肢體的運動意圖，主要可分為基于姿態傳感器感知技術和肌電傳感技術，而未來一大熱門方向則是腦機接口技術。

人機協同控制策略在現階段主要分為5種：靈敏度放大控制策略、基于預定步態的控制策略、基于步態的預定驅動控制策略、基于動力學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定性與精確性的問題。與其同時，傳感數據的檢測與識別，信息數據的融合，與其可靠性、準確性都會對人機協同控制產生重要影響。

4 結論

本文對腰部助力外骨骼發展現狀和關鍵技術進行了分析，此類外骨骼在民用與軍用領域均具備廣闊的因公前景，而開展輕質高效驅動的研究、加強結構系統輕量化設計、應用新型高強輕質材料、突破人機耦合柔順控制難題等，是其進一步發展的重要途徑。

參考文獻：

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

[2]陳壽齊，焦長君.單兵腰部助力裝置結構設計與運動仿真分析[J].四川兵工學報，2013.（12）：17-23.

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

[4]陳貴亮，郝春波，高卓黎，等.國家實用新型專利：“腰部助力外骨骼機構”.

[5]梁文淵.可穿戴型并聯式髖關節助力機器人研究[D].合肥：中國科學技術大學，2012.

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

[7]張峻霞.髖關節助力外骨骼的結構設計[J].包裝工程，2018（16）：123-128.

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

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

[10]宋遒志.多關節外骨骼助力機器人發展現狀及關鍵技術分析[J].兵工學報，2016（01）：25-28.

*通訊作者：肖恬恬，主要從事外骨骼結構設計及士兵系統論證工作，研究方向有外骨骼、機器人、結構設計、強度仿真等。