在汽車制造領域的一線相關作業(yè)人員，經(jīng)常需要重復搬運重物或長時間維持不符合人體工學的姿態(tài)進行裝配作業(yè)，長期以來會導致腰部、背部等部位患有職業(yè)傷害。而外骨骼機器人的誕生在很大程度上改變了這種情況，不僅有效預防及減少職業(yè)傷害，同時還提高了生產(chǎn)效率。

外骨骼機器人在汽車領域的應用

近年來,外骨骼機器人發(fā)展迅速,在汽車制造領域，國外汽車主機廠機械外骨骼的應用比較廣泛。工人們會穿戴上機械外骨骼，在使用機械外骨骼的過程中，外骨骼能夠限制工人身上特定部位的壓力，以此來保護工人，防止工人受傷并且減輕疲勞。

1.上肢外骨骼機械

（1）動態(tài)站立式作業(yè)

對于長時間站立作業(yè)，例如從事汽車零部件物流分揀、沖壓和焊裝工位間零部件搬運、裝配等作業(yè)的人群，作業(yè)人員在不斷彎曲與直立兩種狀態(tài)中頻繁進行切換，如果將外骨骼機器人引入此類作業(yè)中，員工穿戴上肢外骨骼可以有效降低作業(yè)人員腹部、脊椎和頸椎等部位的勞損度。

上肢外骨骼的設計重點部位設置在腹部與髖部的結合處，背部支撐桿貼合人體，其形狀與背部具有相似弧度，將髖關節(jié)與腹部結合點設計為3個自由度，以滿足作業(yè)人員6個方向的運動。由于助力部位為腰部及背部，外骨骼只需上半身穿戴即可。

（2）靜態(tài)站立式作業(yè)

通常用于長時間需要托舉工具來完成作業(yè)的人群。例如汽車總裝、焊裝車間車身底部零部件裝配、打磨和補焊等作業(yè)，作業(yè)人員上肢需要托舉工具長時間保持作業(yè)姿態(tài)。外骨骼機器人將作用于人體的壓力轉移至地面，其造型需貼合人體背部曲線，提高長時間靜態(tài)作業(yè)舒適度，從而有效防止頭頂作業(yè)造成的肩部損傷，幫助工人分擔重量來緩解工人的肩部壓力。

2.下肢外骨骼機械

通常用于汽車裝配流水線長時間保持半蹲姿態(tài)裝配、搬運等作業(yè)人員。通過設置一個坐墊作為人體對外骨骼施壓的緩沖區(qū)域，在外骨骼的膝關節(jié)處設置限位，作業(yè)人員下蹲到一定角度時，將大腿和小腿部位的轉軸卡死，從而產(chǎn)生一個向上的支撐力。膝關節(jié)處的阻尼裝置為穿戴者下蹲時提供適當速度的外力支持，降低作業(yè)者長時間下蹲對膝蓋的損傷。

機械外骨骼的設計

1.工作原理

機械外骨骼原理就是用高功率密度的驅動裝置，非剛性連接套裝在人體外，輔助人類肢體運動，這是一種柔性、智能的驅動系統(tǒng)。

力學傳動原理與汽車的助力轉向系統(tǒng)有相通的部分。載貨汽車最早使用液壓助力轉向系統(tǒng)，現(xiàn)在也有液壓與機電混合，或者單純電動的助力轉向系統(tǒng)。通俗地說，就是原來用100N·m的轉矩轉動汽車的轉向盤，有了助力裝置，將可能用10N·m的轉矩就可以轉動汽車的轉向盤。

外骨骼全身布置了傳感器，利用安裝在各部位的傳感器獲取各項數(shù)據(jù)，并傳遞到中央控制處理器，經(jīng)過計算來調(diào)整外骨骼的動作，最后，通過驅動裝置完成一系列動作，如圖所示。

圖 外骨骼工作原理

2.控制技術

外骨骼機器人的控制模型可以分為感知層、控制層和決策層?？刂葡到y(tǒng)需要確保外骨骼能快速準確地響應人體的各種動作，還要考慮外骨骼與不同穿戴者之間的默契，以適應不同人群的運動特點。

（1）感知層

人體感知和外骨骼系統(tǒng)上的傳感器通常用于采集外骨骼機器人系統(tǒng)的多個信息。通過信息融合技術將其融合后輸入決策層。再由控制系統(tǒng)從感知層獲取信息，包括人體生理信號、人體接觸信息、外骨骼運動狀態(tài)信號。

（2）控制層

分析處理感知層傳送的信息，確認控制策略，控制協(xié)調(diào)人機系統(tǒng)。

（3）決策層

決策結果通過人機耦合接口傳入執(zhí)行層，由執(zhí)行機構完成外骨骼機器人系統(tǒng)的運轉。

3.機械結構

首先，通過研究人體的運動機理，選擇合適的自由度，從生物解剖學的角度出發(fā)，對外骨骼結構各個關節(jié)運動副的優(yōu)化、主運動自由度分配等。不僅在運動形式上需要保持一致,而且在運動自由度分布上也要保持一致,確保穿戴者與外骨骼運動的一致性、穿著舒適、操作靈活，達到人機一體的效果。

（1）自由度分配

外骨骼各關節(jié)部位自由度越大，其靈活程度越大。人體上肢的高適應性和柔韌性，各關節(jié)結構及運動較為復雜。上臂通過肩關節(jié)連接軀干，前臂通過手肘關節(jié)連接上臂。肩關節(jié)設置2個自由度，手肘關節(jié)設置2個自由度，腕關節(jié)設置1個自由度。

人體行走過程中，下肢運動主要是在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生，身體其他部位運動都是用來保持人體平衡的。髖關節(jié)主要實現(xiàn)下肢的屈/伸運動，為了穿戴舒適性，髖關節(jié)設置2個自由度；膝關節(jié)是人體結構中較為復雜的關節(jié)，在矢狀面內(nèi)做屈/伸運動，故設置1個自由度；踝關節(jié)為主要運動軸，繞額狀面做背屈趾/屈運動，設置1個自由度。

（2）材料選擇

目前常用材料有鋁合金、鈦合金、碳纖維、陶瓷等材料。外骨骼機器人除了成本和工藝外還要考慮以下幾方面：高強度材料的機器人不僅可以滿足其使用過程中強度要求，減少零部件截面積尺寸；外骨骼機器人為穿戴式結構，輕量化材料的選擇不僅可以提高穿戴舒適性，減輕穿戴者的負擔，還可以節(jié)約機器人能源消耗；采用較大阻尼材料或增強阻尼，提高定位精度，以及手臂、下肢等在終止構件運動后能平穩(wěn)停止，不會給人體造成身體損傷。

（3）安全限位

工作時外骨骼機器人與穿戴者直接捆綁接觸，結構的設計要符合安全要求，考慮人體關節(jié)所能達到的最大轉動角度。外骨骼的關節(jié)轉動角度過大會造成穿戴者關節(jié)損傷和人體受傷等危險，因此，設計限位裝置防止在控制系統(tǒng)出錯或預期運動判斷錯誤。

（4）承載能力

由于人體的負重大多是通過外骨骼機械結構傳遞至地面，接觸位置應選擇人體承壓能力較好的區(qū)域，以及不影響關節(jié)運動的區(qū)域。通過采用小質(zhì)量/慣量運動零件、柔性關節(jié)、安全限位等設計,減少意外碰撞過程中外骨骼對人的沖擊力。

驅動系統(tǒng)

機械外骨骼的動力驅動系統(tǒng)應當非自鎖，就是人通過強制扭動就能對抗助力系統(tǒng)的驅動，從而避免助力系統(tǒng)非正常驅動而造成被驅動人體骨折。對于助力系統(tǒng)，意味著可以將人的姿態(tài)“定格”下來。

目前應用在外骨骼機器人上的驅動方式主要包括電動機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及人工肌肉驅動等。

1.電機驅動方式

外骨骼機器人電動機驅動方式有兩種：一種是在關節(jié)部位上直接安裝盤式電動機，利用電動機帶動關節(jié)轉動。優(yōu)點是結構簡單，易維護；缺點是受到電動機尺寸的限制，旋轉關節(jié)十分笨重。另一種是利用電動推桿驅動，將電動機旋轉運動轉化為直線運動，推動關節(jié)轉動。電動推桿一般由電動機和滾珠絲桿組成，電動機通常為直流電動機，電動機轉動帶動絲桿的螺母旋轉，從而使絲桿帶動外骨骼機器人手臂、腿、足部分別繞髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)等做旋轉運動。

2.液壓驅動方式

液壓驅動是以液體（液壓油）為工作介質(zhì)進行能量傳遞的一種傳動方式，包括動力裝置、控制裝置、執(zhí)行裝置、輔助裝置和工作介質(zhì)五部分。通過外骨骼傳感系統(tǒng)將人體相關信息實時采集傳至計算機，計算機控制算法生成控制量傳至伺服閥，動力裝置液壓泵將液壓能通過控制裝置傳遞給執(zhí)行裝置液壓缸，液壓缸將液壓能轉化為機械能推動活塞桿做直線運動，根據(jù)伺服閥的開口大小調(diào)節(jié)來控制執(zhí)行裝置液壓缸活塞桿的位置及速度，推動各關節(jié)轉化為轉動運動。其優(yōu)點是結構緊湊、體積小且推動力大，因液壓油具有不可壓縮性，其動態(tài)響應快。

3.氣壓驅動方式

氣壓驅動是以空氣為工作介質(zhì)進行能量傳遞的一種傳動方式，其原理與液壓驅動相似，其優(yōu)點為無污染、反應速度快等。不足之處是氣體可壓縮特性，其推力小，運動穩(wěn)定性和精確性較差。

4.人工肌肉驅動方式

人工肌肉是指一種沒有肌肉功能只有表面裝飾作用的合成材料，用于整形修補，具有一定肌肉伸縮功能的由硅橡膠和滌綸制成的，體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單且容易控制的仿生學的產(chǎn)品。采用人工肌肉的驅動方式充分利用擬人化的設計思想，自身材料的可伸展性，不需要像其他驅動方式那樣考慮到是否會過行程，因此比較安全。

外骨骼機器人每個轉動關節(jié)都有兩個人工肌肉來回收縮，使關節(jié)轉動，從而使外骨骼機器人實現(xiàn)運動。人工肌肉具有較好的柔韌性，不會給穿戴者造成傷害，輸出力較大，能量轉換效率高。

傳感器

外骨骼機器人系統(tǒng)中，人是控制中心，外骨骼控制器利用置于人體和外骨骼機器人上的壓力傳感器、力矩傳感器、肌電傳感器、加速度傳感器和編碼器等監(jiān)測元件，實時精確獲取穿戴者的姿態(tài)、速度、加速度和受力等信息。通過對人體一系列的信息感知測量，處理器將對比這些信息，從而分析、計算出各個關節(jié)運動所需力矩大小，控制相應部位的驅動模塊工作。同時控制器對人體和外骨骼的運動狀況進行比較分析，形成反饋量，從而確保外骨骼能快速精確地響應人體動作。

目前，獲得人類意圖有兩種方式。

1.直接獲取

其中，直接獲取操作者意圖可以從EMG數(shù)據(jù)、人和機器人之間的交互力中獲得。目前直接獲取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，如EMG的數(shù)據(jù)噪聲、建模和校準的難度都很大；間接獲取的方法是從外骨骼關節(jié)獲取數(shù)據(jù)、估計操作者意圖然后放大運動效果。

2.間接獲取

目前絕大部分外骨骼都是間接獲取操作者意圖，其方法主要是通過外骨骼硬件檢測信號來估計人類意圖。這種方法也有一定問題，目前比較嚴重的就是無法區(qū)分操作者的力和外力，這樣的話外界的力也會使得外骨骼機器人判斷出錯，有可能導致外骨骼機器人不穩(wěn)定或者失控。

結語

目前，國內(nèi)外大部分外骨骼機器人還處于試驗測試階段，尤其國內(nèi)汽車主機廠，外骨骼機器人應用十分稀缺，需要加強外骨骼機器人在傳感器、驅動方式、材料和能源等方面的不斷創(chuàng)新，增強汽車制造業(yè)體力勞動者能力，提升外骨骼機器人的柔性化程度及智能化程度，從而保證外骨骼機器人更好地為人類服務。