多场景适用下的上肢外骨骼设计分析
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作者:夏天 孙薇
摘要：就当前工业产业升级和国家对服务型装备中的人员装备需求，对比近年来国内外在外骨骼领域的设计成果，完成了对上肢外骨骼形态及其机构的设计，装备根据对上肢活动生物学的分析，和对上肢活动关节结构及自由度进行的描述为基础。针对工业生产场景，上肢外骨骼进行了具有针对性地减震及其多自由度设定，为外骨骼在多场景下的适用设计提供了设计方案，也为今后的外骨骼设计提供可参考依据。
关键词：外骨骼;多场景适用;上肢外骨骼设计
中图分类号：TB472 文献标识码：A
文章编码：1672-7053（2020）06-0157-02
近年来，随着工业产业升级和相关配产业转型的发展，对于劳动者的应用场景的要求也相应提高，对于上肢运动的活动强度也越来越强，劳动者需要进行大量的重复性高强度劳动，单纯地通过自身上肢肌肉强度进行运动，从劳动时效到劳动强度都很难达到要求，同样还会造成对劳动者自身的身体伤害。
为解决上述问题，国内外院校及其实验室、企业等均对上肢外骨骼进行了设计研究，当前大多数对自由度上肢外骨骼机构采取了将机构串联的方式，实现对上肢运动进行辅助运动的效果，但是对于复杂的肢体活动来说，采用简单的机构连接方式功能难以达到需求，仅能够实现某些特定功能的效果。
当前外骨骼的研究在面对现实需求中一味地追求控制传感系统以及执行系统的设计研发，缺乏对场景的适用性等方面的考虑，因此要从适用环境出发去研究设计，遵循人体对场景的需求，形成高效的机械和传动系统，将人机——环境真正地融入到实际的产品和使用环境中去。
因此，基于现有的研究成果，就多场景多自由度上肢外骨骼机构的需求，设计实现能够满足不同上肢活动需求人群的上肢外骨骼。
1外骨骼概述
人类一直以来都在追求突破自身的生理极限，用以获得更多的力量和耐力，对自然界长时间的观察研究中，人们在发现诸多节肢类生物，如虾、蟹、昆虫等，这些节肢类生物能够通过自身坚硬的外壳支撑和保护身体组织，由此通过仿生学逐渐形成了外骨骼技术，外骨骼技术的发现让人类突破自身极限的想法有了新的突破点。
简单的说，外骨骼就是一种穿戴在人体上的机械装置，是一种通过外在装置来进行人工干预人体活动的机器人。外骨骼的形式与节肢动物体表坚韧的几丁质的外骨骼相类似，能够给人体提供一定量的保护，以及提供人体原本体能以外的能量。通过外骨骼对人体肌肉和骨骼运动的干预，将人的智力和机器人的“体力”完美结合，达到为穿戴者提供额外的力量用以支撑、运动、辅助作业等功能，得以减轻作业工人的劳动强度，减少作业时间，提高工作效率。
2多场景适用下的外骨骼设计的意义
目前，在实际的工业生产中，生产作业人员有着需要长时间的运动并维持多种肢体动作的工作需求，甚至要保证长时间高质量进行生产，作业人员在工作中会存在的肢体疲劳度上升、注意力下降和反应迟缓等生理反应，通过外骨骼的加持可以得到有效的缓解，直接提升工业生产的效率，作業劳动的危险l生也将会随之降低。
当前工业生产环境的现实状况是十分复杂且具体的，在制造业、矿产业、建筑业、甚至包括很多特种行业均有类似的情况。因此，设计一款不仅能够提升工作效率，还可以保护劳动者自身健康和劳动安全的辅助设备，同时还能兼顾当前多种环境生产需要的外骨骼，是解决当前作业工人在实际生产和设备需求矛盾最直接的方法。
外骨骼可以具有针对性地设计并用以符合生产作业中对工作效率、工作强度和适应复杂环境的需求，同时还可以满足在不同生产作业中的特殊要求，在保证降低劳动伤害和环境伤害的风险的同时提升生产企业的竞争力，并且对未来我国工业产业升级和产品迭代也带了相应的助力和新的生产思路。
3多场景适用下的上肢外骨骼设计分析
3.1上肢关节自由度设定分析
人体具有多元的组织结构，仅就上肢就包含了丰富的肌肉和复杂的骨骼及其关节，例如，肩关节、肘关节和腕关节，这几个关节为上肢提供了丰富的运动姿态和广域的活动范围，当外骨骼满足所增持关节的活动规律时，便可以提高适用人群的活动效率和接触能力。
在上肢具体活动中，肩关节复合体由胸骨、锁骨、肩胛骨、肱骨、肋骨以及连接上述骨骼的囊腔和韧带构成。肩关节复合体包括胸锁关节、肩锁关节、肩胛胸关节和盂肱关节四个运动关节。与肩部复合体相比，肘与前臂复合体和腕部的骨骼结构和肘与前臂复合体由肱骨、桡骨和尺骨构成均较为简单。
作业工人在作业时，所有上肢关节的运动姿态包含了胸锁关节的上抬——下降、前伸——后缩和向后旋转这三个动作，同时肩锁关节包含有上——下旋、内——外旋和前——后倾斜。与之相近的肩胛胸关节则有上抬——下降、前伸——后缩和上——下旋。从肩部向下延伸到肘部复合体，其运动姿态为肘屈——伸和旋前——后，同时腕部也有两个姿态，为腕屈——伸和桡偏——尺偏。
依据以上对上肢运动姿态的描述，结合适用环境可知，上肢外骨骼可以由肩部3自由度，包括肩关节（前伸——后伸活动角度、外展——内收活动角度、旋内——旋外活动角度）、肘关节（屈——伸活动角度）、前臂（旋内——旋外活动角度）的上肢外骨骼运动机构，机构是由五个串联的转动伺服机构实现，称为串联活动机构。
因此，外骨骼可以针对上肢运动的姿态进行设计，在保证人体各关节运动正常的情况下，构建完整的上肢运动体系。在具体的生产作业中，外骨骼通过增持肩部、肘部和腕部的配合、加强相应的力量和耐久度的扩展，从而提高了上肢在多场景使用中的活动能力。
3.2背部减震机构设计分析
在实际使用中使用者与外骨骼是直接接触的，无论是机械装置自身重量还是在运行中由于机械振动引起的负载，加之在使用中提取的重物等因素造成的负载，这些负载都是直接传递给使用者自身，通过对外骨骼增加减震机构，使得外骨骼对使用者的伤害降至最低，也对穿戴过程中的持久度进一步提升。
如图1所示，通过在背部增加两个方向的减震，当肩部连接轴的重量传递至整个背板区，在通过减振和连接臂传递至脊椎撑杆，尤其在左右共同使用时，负载将共同作用在脊椎撑杆上，使用者只需要承担其承担的重力，其作用力在使用者的重心区，将直接对使用者所承受的力进一步消减，是外骨骼作用力进一步体现。
4结语
在本次对外骨骸设计过程中，通过整合之前对人、机器和环境分析的基础上，以作业人员对生产劳动的实际需求作为目标，尽最大努力保护穿戴人员在工作过程中可能产生的危险，同时突出了及时性和便捷性的特点，在设计中还在接触面外包裹了隔离材质，保障了穿戴的舒适性，在上肢运动中，手臂在大脑的控制下通过肩部、肘部和腕关节的复合运动使上肢活动，并且完成相应的动作，相应外骨骼在通过多自由度设计、柔性刚度电机和人机行为决策程序的结合，使外骨骼运动的迟滞性得到了有效地缓解，可以满足多种上肢活动对人机协同的描述，外骨骼运行可信并且满足活动要求，帮助穿戴人员可以更快更好地完成工作，同时为降低运动控制难度，让使用者无需进行特殊的训练即可具备对上肢外骨骼进行控制并使用。
本文围绕外骨骼多场景应用中面临的问题，通过对上肢外骨骼适用场景，人机运动描述等基础性问题的分析，结合机械特性和人机功效等技术的加持，对多场景下外骨骼机构进行设计，创新性地提出了背板减振设计，促进了今后外骨骼的多场景实用化应用，为今后外骨骼研究提供参考。
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