腰部助力型外骨骼研究现状分析

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　　摘 要：腰部助力型外骨骼是一种用于辅助人体搬运的穿戴式外骨骼，其已在国内外迅速发展，被广泛应用于军事、民用的各个领域。本文介绍了腰部助力型外骨骼的国内外发展现状，对该型外骨骼在军用于民用领域的应用需求与前景进行了梳理，并分析了针对腰部助力型外骨骼设计与研究的多项关键技术。
　　关键词：外骨骼;腰关节;辅助机器人
　　1 概述
　　近年来，各型军用、民用外骨骼在国内外快速发展，控制、结构和能源等关键技术水平愈发成熟。与此同时，随着军事、物流、建筑与医学等相关领域对人员搬运、托举重物的需求飞速增长，腰部助力型外骨骼的设计开发与应用逐渐被国内外各研究所、高校及企业所重视。
　　看护人员、快递员与搬运等职业人员在工作中腰部受力频繁，负荷较大，易出现脊柱与腰椎损伤[1]。而在军事领域中，火炮装填手在装填炮弹时腰部也会受大极大的负荷[2]。
　　腰部助力型外骨骼是一种可辅助人搬运重物的穿戴式外骨骼。这类外骨骼通过不同形式在对腰部与髋部施加辅助力矩，均衡分配负载重量，帮助人体承担举起、放下物体时腰部所受的力，以减轻腰部负担，并大幅提高搬运效率[4]。
　　目前，该型外骨骼是近年来的热点研究方向，已在国内外迅速发展，其研究内容包括人体运动学原理、仿生结构设计、人-机耦合控制、多传感器信息融合、人体运动意图判别等方面，被广泛应用于在军事、建筑、物流等领域[5]。
　　2 发展现状
　　针对腰部助力型外骨骼，研制较为成熟的腰关节助力型外骨骼多出于欧美与日韩。德国Fraunhofer工程研究机构研制的Robo-mate的主动躯干模块通过在臀部施加支撑扭矩来降低背部肌肉骨骼负荷，最大可帮助人体搬运15kg负重;日本Atoun公司的Model Y电动外骨骼采用了倒Y型设计，像背包一样可穿戴;韩国现代集团研制的H-WEX腰部助力外骨骼则可在一秒钟内可弯曲180度，采用单电机为两腿提供动力，其控制系统可以与手机进行集成。
　　国内京东物流研发的铁甲钢拳是一款气电混合动力型腰关节助力型外骨骼，采用了碳纤维和钛合金等轻量材料和气电混合外部动力装置，可以提供30kg的外部助力;深圳康特力研制的护腰外骨骼则是一款无动力腰部助力外骨骼，采用纯物理机械原理，通过外骨髂的支撑作用，将人体弯腰前倾时产生的力矩通过大腿和臀部的作用来抵消，以绶解腰部受力。
　　3 关键技术
　　3.1 驱动方式
　　目前，有源腰部助力外骨骼常采用的驱动方式主要有电机、液压、电推杆、气动肌肉等。电机驱动具有标准化程度高、易于自动化控制、结构简单等优点，但同时其惯性大、换向慢、体积大。气动驱动成本低、气体粘性小、可无级变速，但速度易变动，难于精确控制，低温特性差[6]。
　　无源系统则多采用弹簧作为储能形式，或者通过钢丝绳，转轮相组合的形式，实现长距离力或力矩的传递。利用弹簧在人体弯腰时的拉伸来存储人体重力势能，然后在人体伸展过程中提供助力。此类外骨骼成本低、自重轻、穿戴方便，具有极大的市场前景。但由于系统缺少外部能量，系统输出的助力相对较小，且无法根据外在负载变化进行实时调节[7]。
　　3.2 结构形式
　　此类外骨骼功能相对单一、结构形式简单[8]。整体结构形式主要分为背架、腰髋和腿部单元三个单元。背架单元作为系统能源与控制的固定平台，且与人体的连接，一般采用背带形式挂靠在人体肩部;腰髋单元则作为背架与大腿结构的连接单元与驱动的固定平台[9]。其结构形式一般采用驱动矢状面内的单一屈伸自由度，或者采用主被动相结合的方式，提高系统的灵活性;腿部单元一般通过弹性材料绑带与大腿固定。
　　结构系统与人体之间匹配性矛盾在于为了符合人体运动需求，需增加关节驱动，其控制复杂度与系统能耗也会相应增加，采取主被动相结合的方式是解决该问题的方法之一[10]。
　　3.3 控制系统
　　人体运动意图感知与人机协同控制是此类外骨骼控制系统的关键技术点。期中，人体运动意图目前多采用基于肢体的感知技术，即通过传感器感知躯干肢体的运动意图，主要可分为基于姿态传感器感知技术和肌电传感技术，而未来一大热门方向则是脑机接口技术。
　　人机协同控制策略在现阶段主要分为5种：灵敏度放大控制策略、基于预定步态的控制策略、基于步态的预定驱动控制策略、基于动力学的控制策略与混合控制策略[10]。但无论哪种控制策略都存在稳定性与精确性的问题。与其同时，传感数据的检测与识别，信息数据的融合，与其可靠性、准确性都会对人机协同控制产生重要影响。
　　4 结论
　　本文对腰部助力外骨骼发展现状和关键技术进行了分析，此类外骨骼在民用与军用领域均具备广阔的因公前景，而开展轻质高效驱动的研究、加强结构系统轻量化设计、应用新型高强轻质材料、突破人机耦合柔顺控制难题等，是其进一步发展的重要途径。
　　参考文献：
　　[1]余洋.面向快递员徒手搬运的外骨骼省力装置设计[J].中国设备工程，2016（18）：54-59.
　　[2]陈寿齐，焦长君.单兵腰部助力装置结构设计与运动仿真分析[J].四川兵工学报，2013.（12）：17-23.
　　[3]高波.人工装卸搬运助力装置研究现状及关键技术[J].军事物流，2014（12）：144-148.
　　[4]陈贵亮，郝春波，高卓黎，等.國家实用新型专利：“腰部助力外骨骼机构”.
　　[5]梁文渊.可穿戴型并联式髋关节助力机器人研究[D].合肥：中国科学技术大学，2012.
　　[6]李向攀.基于柔性气压驱动器的可穿戴式腰部助力机器人研究[J].自动化学报，2016（12）：1849-1858.
　　[7]张峻霞.髋关节助力外骨骼的结构设计[J].包装工程，2018（16）：123-128.
　　[8]王翔.一种多功能助力搬运装置[J].山东工业技术，2016（16）：23-30.
　　[9]尹鹏，胡欣钧，杨靓，等.国家发明专利：“一种智能型腰部被动助力外骨骼”.
　　[10]宋遒志.多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析[J].兵工学报，2016（01）：25-28.
　　*通讯作者：肖恬恬，主要从事外骨骼结构设计及士兵系统论证工作，研究方向有外骨骼、机器人、结构设计、强度仿真等。
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