多場景適用下的上肢外骨骼設計分析

夏天　孫薇

摘要：就當前工業產業升級和國家對服務型裝備中的人員裝備需求，對比近年來國內外在外骨骼領域的設計成果，完成了對上肢外骨骼形態及其機構的設計，裝備根據對上肢活動生物學的分析，和對上肢活動關節結構及自由度進行的描述為基礎。針對工業生產場景，上肢外骨骼進行了具有針對性地減震及其多自由度設定，為外骨骼在多場景下的適用設計提供了設計方案，也為今后的外骨骼設計提供可參考依據。

關鍵詞：外骨骼;多場景適用;上肢外骨骼設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）06-0157-02

近年來，隨著工業產業升級和相關配產業轉型的發展，對于勞動者的應用場景的要求也相應提高，對于上肢運動的活動強度也越來越強，勞動者需要進行大量的重復性高強度勞動，單純地通過自身上肢肌肉強度進行運動，從勞動時效到勞動強度都很難達到要求，同樣還會造成對勞動者自身的身體傷害。

為解決上述問題，國內外院校及其實驗室、企業等均對上肢外骨骼進行了設計研究，當前大多數對自由度上肢外骨骼機構采取了將機構串聯的方式，實現對上肢運動進行輔助運動的效果，但是對于復雜的肢體活動來說，采用簡單的機構連接方式功能難以達到需求，僅能夠實現某些特定功能的效果。

當前外骨骼的研究在面對現實需求中一味地追求控制傳感系統以及執行系統的設計研發，缺乏對場景的適用性等方面的考慮，因此要從適用環境出發去研究設計，遵循人體對場景的需求，形成高效的機械和傳動系統，將人機——環境真正地融入到實際的產品和使用環境中去。

因此，基于現有的研究成果，就多場景多自由度上肢外骨骼機構的需求，設計實現能夠滿足不同上肢活動需求人群的上肢外骨骼。

1外骨骼概述

人類一直以來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，對自然界長時間的觀察研究中，人們在發現諸多節肢類生物，如蝦、蟹、昆蟲等，這些節肢類生物能夠通過自身堅硬的外殼支撐和保護身體組織，由此通過仿生學逐漸形成了外骨骼技術，外骨骼技術的發現讓人類突破自身極限的想法有了新的突破點。

簡單的說，外骨骼就是一種穿戴在人體上的機械裝置，是一種通過外在裝置來進行人工干預人體活動的機器人。外骨骼的形式與節肢動物體表堅韌的幾丁質的外骨骼相類似，能夠給人體提供一定量的保護，以及提供人體原本體能以外的能量。通過外骨骼對人體肌肉和骨骼運動的干預，將人的智力和機器人的“體力”完美結合，達到為穿戴者提供額外的力量用以支撐、運動、輔助作業等功能，得以減輕作業工人的勞動強度，減少作業時間，提高工作效率。

2多場景適用下的外骨骼設計的意義

目前，在實際的工業生產中，生產作業人員有著需要長時間的運動并維持多種肢體動作的工作需求，甚至要保證長時間高質量進行生產，作業人員在工作中會存在的肢體疲勞度上升、注意力下降和反應遲緩等生理反應，通過外骨骼的加持可以得到有效的緩解，直接提升工業生產的效率，作業勞動的危險l生也將會隨之降低。

當前工業生產環境的現實狀況是十分復雜且具體的，在制造業、礦產業、建筑業、甚至包括很多特種行業均有類似的情況。因此，設計一款不僅能夠提升工作效率，還可以保護勞動者自身健康和勞動安全的輔助設備，同時還能兼顧當前多種環境生產需要的外骨骼，是解決當前作業工人在實際生產和設備需求矛盾最直接的方法。

外骨骼可以具有針對性地設計并用以符合生產作業中對工作效率、工作強度和適應復雜環境的需求，同時還可以滿足在不同生產作業中的特殊要求，在保證降低勞動傷害和環境傷害的風險的同時提升生產企業的競爭力，并且對未來我國工業產業升級和產品迭代也帶了相應的助力和新的生產思路。

3多場景適用下的上肢外骨骼設計分析

3.1上肢關節自由度設定分析

人體具有多元的組織結構，僅就上肢就包含了豐富的肌肉和復雜的骨骼及其關節，例如，肩關節、肘關節和腕關節，這幾個關節為上肢提供了豐富的運動姿態和廣域的活動范圍，當外骨骼滿足所增持關節的活動規律時，便可以提高適用人群的活動效率和接觸能力。

在上肢具體活動中，肩關節復合體由胸骨、鎖骨、肩胛骨、肱骨、肋骨以及連接上述骨骼的囊腔和韌帶構成。肩關節復合體包括胸鎖關節、肩鎖關節、肩胛胸關節和盂肱關節四個運動關節。與肩部復合體相比，肘與前臂復合體和腕部的骨骼結構和肘與前臂復合體由肱骨、橈骨和尺骨構成均較為簡單。

作業工人在作業時，所有上肢關節的運動姿態包含了胸鎖關節的上抬——下降、前伸——后縮和向后旋轉這三個動作，同時肩鎖關節包含有上——下旋、內——外旋和前——后傾斜。與之相近的肩胛胸關節則有上抬——下降、前伸——后縮和上——下旋。從肩部向下延伸到肘部復合體，其運動姿態為肘屈——伸和旋前——后，同時腕部也有兩個姿態，為腕屈——伸和橈偏——尺偏。

依據以上對上肢運動姿態的描述，結合適用環境可知，上肢外骨骼可以由肩部3自由度，包括肩關節（前伸——后伸活動角度、外展——內收活動角度、旋內——旋外活動角度）、肘關節（屈——伸活動角度）、前臂（旋內——旋外活動角度）的上肢外骨骼運動機構，機構是由五個串聯的轉動伺服機構實現，稱為串聯活動機構。

因此，外骨骼可以針對上肢運動的姿態進行設計，在保證人體各關節運動正常的情況下，構建完整的上肢運動體系。在具體的生產作業中，外骨骼通過增持肩部、肘部和腕部的配合、加強相應的力量和耐久度的擴展，從而提高了上肢在多場景使用中的活動能力。

3.2背部減震機構設計分析

在實際使用中使用者與外骨骼是直接接觸的，無論是機械裝置自身重量還是在運行中由于機械振動引起的負載，加之在使用中提取的重物等因素造成的負載，這些負載都是直接傳遞給使用者自身，通過對外骨骼增加減震機構，使得外骨骼對使用者的傷害降至最低，也對穿戴過程中的持久度進一步提升。

如圖1所示，通過在背部增加兩個方向的減震，當肩部連接軸的重量傳遞至整個背板區，在通過減振和連接臂傳遞至脊椎撐桿，尤其在左右共同使用時，負載將共同作用在脊椎撐桿上，使用者只需要承擔其承擔的重力，其作用力在使用者的重心區，將直接對使用者所承受的力進一步消減，是外骨骼作用力進一步體現。

4結語

在本次對外骨骸設計過程中，通過整合之前對人、機器和環境分析的基礎上，以作業人員對生產勞動的實際需求作為目標，盡最大努力保護穿戴人員在工作過程中可能產生的危險，同時突出了及時性和便捷性的特點，在設計中還在接觸面外包裹了隔離材質，保障了穿戴的舒適性，在上肢運動中，手臂在大腦的控制下通過肩部、肘部和腕關節的復合運動使上肢活動，并且完成相應的動作，相應外骨骼在通過多自由度設計、柔性剛度電機和人機行為決策程序的結合，使外骨骼運動的遲滯性得到了有效地緩解，可以滿足多種上肢活動對人機協同的描述，外骨骼運行可信并且滿足活動要求，幫助穿戴人員可以更快更好地完成工作，同時為降低運動控制難度，讓使用者無需進行特殊的訓練即可具備對上肢外骨骼進行控制并使用。

本文圍繞外骨骼多場景應用中面臨的問題，通過對上肢外骨骼適用場景，人機運動描述等基礎性問題的分析，結合機械特性和人機功效等技術的加持，對多場景下外骨骼機構進行設計，創新性地提出了背板減振設計，促進了今后外骨骼的多場景實用化應用，為今后外骨骼研究提供參考。