工业外骨骼应用现状及展望

段崇 杨玺 邓宇

摘  要：当今社会计算机信息技术和自动化技术飞速发展，以此为基础的现代制造技术发展的总趋势是向精密化、数字化、柔性化、集成化、虚拟化、智能化的方向发展。飞机制造作为制造业中的最先进技术的代表，也正向数字化、信息化和设计制造试验一体化的方向发展。本文对数字化装配技术及其应用进行回顾、总结，介绍了数字化装配系统数据集成技术的典型应用和关键技术。

关键字：外骨骼;工业;助力

引言

进入21 世纪后，随着计算机、新材料、新能源和传感等技术的突破，外骨骼机器人的研究开始复苏，并逐渐进入爆发期。美国和日本在外骨骼机器人的研究上起步较早，研究成果和专利也更为丰富，先后加入外骨骼机器人研究的有美国伯克利仿生科技公司、美国雷神公司、美国洛克希德·马丁公司、美国哈佛大学、日本神奈川理工大学、日本Cyberdyne 科技公司、韩国现代汽车集团、以色列ReWalk Robotics 公司等。而中国的外骨骼机器人目前仍以学术研究为主，中国科学院、电子科技大学、北京航空航天大学等都在开展外骨骼机器人的研究。

1 外骨骼机器人的分类

外骨骼机器人主要有两大应用领域，分别为增强型、康复型。增强型主要在于军事和工业用途上;康复型主要应用于医疗领域，帮助行动不便者重获行走能力。

工业用途的外骨骼主要有3 种类型：（1）工业装配外骨骼，它主要用于生产装配车间，为工人提供长时间静态支撑;（2）力量辅助型外骨骼，它主要用于力量辅助、重物搬运和工具操控;（3）工具支撑型外骨骼，它主要用于辅助支撑多种类型工具。本文主要探讨工业装配外骨骼机器人的发展现状。

2 工业装配外骨骼

工业装配领域存在快节奏、高度重复以及费力的手部工作，装配工人往往需要以非中性的身体姿势去操纵工具，其肌肉骨骼会受到一些来自外部的机械压力和振动冲击，这些都是诱发与工作相关肌肉骨骼疾病的重要因素。

根据2013 年的数据，在德国，工人每天由于肌肉骨骼疾病而损失约23.2% 的有效工作时长，而且这个数字随着年龄的增长而增加：在55 岁以上的人群中，这个数字已经达到了35% 以上。每年由于肌肉骨骼疾病造成的经济损失高达200 亿欧元（2013 年数据）。

工业装配外骨骼与力量辅助型和工具支撑型外骨骼不同，它主要应用于工业流水线，用于减轻装配工人的工作负荷，保护装配工人肌肉骨骼，减少装配工人肌肉骨骼累积损伤，从而减小装配工人患WMSDs 的风险。因此，工业装配外骨骼作为解决工人肌肉骨骼损伤问题的主要辅助工具，已成为装配领域的一个研究热点。根据作用部位的不同，工业装配外骨骼可以分为肩部助力、腰背部助力、腿部助力三种形式。

2.1 肩部助力外骨骼

2.1.1 EksoVest

EksoVest 是Ekso Bionics 公司设计生产的一种肩部助力外骨骼，具有轻量级、体积小、穿戴舒适、运动灵活的特点。它自重约4.3kg，能够调节尺寸以适应不同体型的用户穿戴，可以在工人抬起手臂的过程中提供2.2 ～ 6.8kg 的助力，帮助他们完成胸部以上到头顶区域的各种操作。该型产品已经在福特、林肯等多家企业得到了应用。

2.1.2 MATE

MATE 是柯马（COMAU）公司发布的一款便携式被动肩部助力外骨骼，在手工和重复性的工作中，MATE 将工人的手臂承受的大部分力转移到骨盆，减轻了工人的疲劳。该型产品已经在汽车制造行业得到初步应用。

2.1.3 Paexo

Paexo 是世界最大假肢生产企业之一的Ottobock 公司于2015 年推出的一款肩部助力外骨骼。它重量只有不到2kg，活动自如，而且不需要能量供应。可以帮助工业、物流和贸易部门的工人，显著减少在头顶和肩膀以上高度进行工作时，肩部肌肉和关节的受力情况。

2.2 腰背部助力外骨骼

2.2.1 BackX

BackX 是SuitX 公司设计生产的一种腰背部助力外骨骼，它能在佩戴者弯腰、举起物体、弯曲或伸展时，为佩戴者提供助力，将佩戴者下背部区域上的力和扭矩平均降低60%，降低工人背部受伤的风险。

2.2.2 Laevo V2

Laevo V2 是一款由荷兰Laevo exoskelet 公司生产的可穿戴腰部和背部助力外骨骼。它结构简单，适合各种姿势，能将其他部位的受力转移到大腿上，显著降低脊椎和背部肌肉承受的力，保护腰部和背部。

2.3 腿部助力外骨骼

2.3.1 LegX

LegX 是SuitX 一种腿部助力外骨骼，允许佩戴者反复或长时间蹲下，减少膝关节和腿部肌肉肌的受力。它能够智能识别行走、上/ 下楼梯和蹲坐，使行动畅通无阻，仅在需要时提供支撑。

2.3.2 Chairless Chair

Chairless Chair 是一款由NOONEE 公司生产的腿部助力外骨骼。它通过腰部和腿部的束缚带固定到使用者身上，外骨骼上的关节结构可以保证使用者的自由活动。当使用者需要固定下来时，它可以随时锁定到位，把外骨骼变成椅子。让使用者能够在几乎任何情况下坐下休息，能够在工厂、手术室和公共交通等场景中使用，以减少因长期站立而产生的疲劳和疼痛。该产品已经在奥迪和宝马汽车的生产线上得到了初步测试。

3 存在的问题

（1）外骨骼技术本身正处在快速发展迭代的时期，新设计、新技术不断涌现和加入，产品的外觀、功能、性能发展变化很快。这对于技术自身的发展是好事，但对用户来说则不然。用户只需要等待较短的时间即可等来下一代产品，功能与性能得到提升，价格降低，这使得之前的产品显得折旧过快。而且某一代产品的生产线维持时间短，产品后续的使用、维护极有可能面临配件缺乏的困境。

（2）外骨骼技术正处于快速发展成长期，市场上能提供外骨骼产品的厂家数量众多，技术方案各异，技术水平参差不齐，给用户选择产品带来了困难。

（3）当前市场上只有一些国外企业能够提供相对成熟的外骨骼产品，价格较高，不利于产品的大规模推广。

（4）外骨骼产品未得到大规模应用与验证，其技术水平、效果、可靠性、安全性都未得到验证。在使用过程中需要固定到人体上，但是人体结构不是完全相同的，导致外骨骼机器人难以普遍适应所有人群。外骨骼在使用过程中需要与人体紧密接触，产品的安全性也需要时间的检验。

（5）工业装配外骨骼普遍只能起到辅助定姿的作用，不能提供动力。

4 结语

随着社会进步和劳动力成本的上升，工人的健康问题越来越受到重视，高处作业和肌肉骨骼疾病之间的直接关系已被证实。同时由于人们生活水平的提高和人口老龄化的到来，降低劳动强度，改善工人的劳动环境将成为必然趋势。外骨骼提供的外力辅助有助于减少与工作相关的健康危害、工作时间和事故，因此从长远来看，外骨骼的市场前景是非常可观的。但是从短期来看，生产研制外骨骼的厂家需要经过一段时间的市场竞争与优胜劣汰，外骨骼的技术方案也需要经过进一步的发展与迭代，距离工业化大规模推广应用还有一段距离。

参考文献

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