一、概述

一些昆蟲(chóng)類(lèi)動(dòng)物，長(zhǎng)有身體以外的骨骼，具有支撐、保護(hù)身體的作用，被稱(chēng)為外骨骼。人工裝卸搬運(yùn)助力裝置是一種人機(jī)結(jié)合的外骨骼機(jī)械助力裝置，根據(jù)仿生學(xué)的思想，為穿戴者設(shè)計(jì)一套體外支架，通過(guò)均衡分配外掛物重量，傳導(dǎo)、放大穿戴者的肢體動(dòng)感，做到既增強(qiáng)個(gè)人負(fù)重能力，又保持其行動(dòng)靈活性，它不受地面路況、天氣環(huán)境以及作業(yè)空間的約束，其控制系統(tǒng)可以使“助力裝置”與使用者的四肢運(yùn)動(dòng)保持協(xié)調(diào)一致，負(fù)重通過(guò)“助力裝置”轉(zhuǎn)移到地面，人體感受的負(fù)重只有實(shí)際負(fù)重的10%，從而極大地減少穿戴者的體能消耗，使其在高強(qiáng)度作業(yè)后仍然保持較充沛的體能，提高作業(yè)效率。

二、研究現(xiàn)狀

該技術(shù)是近年來(lái)的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，屬于特種機(jī)器人的范疇，其涉及機(jī)器人學(xué)、人體工程學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)等領(lǐng)域。其研究?jī)?nèi)容包括外骨骼機(jī)械裝置、人-機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析、多傳感器信息融合理論、人體運(yùn)動(dòng)意圖的判別及控制方法等方面。

1.國(guó)外情況

美國(guó)是世界上首先開(kāi)展人工裝卸搬運(yùn)助力裝置研究的國(guó)家，其定義為“外骨骼服”。早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)通用電器公司研發(fā)出一種基于主從控制的外骨骼服原型機(jī)，命名為哈迪曼（Hard im an）。美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局于2000年出資五千萬(wàn)美元用于資助對(duì)能夠增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼（Exoske le ton for Hum an Perform ance Augum entation，EHPA）的研究與開(kāi)發(fā)。獲得該項(xiàng)目資助的有加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實(shí)驗(yàn)室（HEL）、雷神薩科斯公司（Ray theon Sarcos）、橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL）和M illenn ium Je t等多家研究機(jī)構(gòu)。其中，加州大學(xué)伯克利分校于2004年率先研制出下肢外骨骼單兵助力系統(tǒng)BLEXX系列（圖1），該裝置為液壓驅(qū)動(dòng)，可使士兵負(fù)重量達(dá)到75kg，并以0.9m/s的速度行走，在沒(méi)有負(fù)重的情況下，能以1.3m/s的速度行走。

另外，伯克利分校和洛克希德馬丁公司共同研制了新一代單兵負(fù)重系統(tǒng)HULC（Human Universal Load Carrier），該裝置可明顯降低使用者對(duì)氧氣的消耗量，可保證穿戴者以4.8km/h的速度背負(fù)90kg重物持續(xù)行進(jìn)一個(gè)小時(shí)，而沖刺速度則可達(dá)到16km/h。

圖1 BLEXX系列外骨骼

2011年在法國(guó)巴黎舉行的國(guó)際軍警保安器材展（M ILIPOL）上，法國(guó)某防務(wù)公司展出了其與法國(guó)武器裝備總署聯(lián)合研制的名為“大力神”（HERCULE）的協(xié)同可穿戴式外骨骼服?！按罅ι瘛蓖夤趋赖莫?dú)特之處在于不采用無(wú)線電控制，能夠自動(dòng)探測(cè)到肢體運(yùn)動(dòng)，隨后根據(jù)支持意圖代替穿戴者執(zhí)行這一動(dòng)作。

上述外骨骼服只能定義為下肢外骨骼系統(tǒng)，僅具有負(fù)重行走功能。因此，美軍進(jìn)一步將現(xiàn)有下肢助力外骨骼裝置開(kāi)發(fā)成可穿戴全身外骨骼服，目前比較有影響力的是洛克希德-馬丁公司的HULC（圖2）和雷神公司的XOS2。這兩種外骨骼服除了具備負(fù)重行軍能力外，還增加了雙上肢助力功能，具有較強(qiáng)的物資裝卸搬運(yùn)作業(yè)能力，穿戴者人體承受的重量?jī)H為實(shí)際重量的十分之一，大大降低了體能消耗。

圖2 全身助力單兵負(fù)重系統(tǒng)（HULC）

日本神奈川理工學(xué)院研制的Pow e r Assis t Su it（PAS）可以增加人體的力量0.5到1倍。日本筑波大學(xué)Cybernics實(shí)驗(yàn)室研制出世界上第一種商業(yè)外骨骼服（Hybrid Assistive Leg，HAL）。這種裝置能幫助人們以每小時(shí)4公里的速度行走，毫不費(fèi)力地爬樓梯，其第五代產(chǎn)品HAL-5為全身式外骨骼服（圖3），具備上肢助力功能，能夠搬運(yùn)重物，減輕穿戴者體力消耗。

圖3 日本HAL-5外骨骼服

此外，俄羅斯、英國(guó)、印度等國(guó)均在人工裝卸搬運(yùn)助力裝置研究方面取得了一定進(jìn)展。

2.國(guó)內(nèi)情況

近年來(lái)，我國(guó)有多家單位相繼開(kāi)展了外骨骼助力裝置的研究工作。目前已開(kāi)展相關(guān)研究的科研院所有中科院、中國(guó)科技大學(xué)、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上海大學(xué)等單位，其研究重點(diǎn)為輔助肌肉、骨骼疾病的康復(fù)，幫助老年人行走，甚至讓癱瘓病人站起來(lái)進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，在控制、減重、縮小體積等方面取得不小進(jìn)展，并有相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世。

圖5 人體行走動(dòng)作分析

軍內(nèi)已有海軍航空工程學(xué)院、總裝工程兵裝備論證實(shí)驗(yàn)研究所、軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生裝備研究所、軍事交通學(xué)院等單位開(kāi)展外骨骼助力裝置研究，研究目的具有明顯的軍事性。海軍航空工程學(xué)院在2004年開(kāi)展了外骨骼服的研制，并分別于2006年和2008年研制出了第一代和第二代能量輔助骨骼服。2013年，南京軍區(qū)總醫(yī)院博士后工作站研制成功了“單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)”（圖4）。該系統(tǒng)能使人體骨骼的承重減少50%以上，讓普通士兵成為大力士，能輕松完成背負(fù)作戰(zhàn)物資與裝備跨越“障礙”的任務(wù)。

圖4 單兵負(fù)重輔助系統(tǒng)

三、關(guān)鍵技術(shù)

1.獲取人體動(dòng)作信號(hào)

適合于人工裝卸搬運(yùn)助力裝置的人體信號(hào)獲取方式大致可分為三類(lèi)。第一類(lèi)為基于人體腦電信號(hào)的采集方式。腦電信號(hào)微弱、噪聲大、研制成本高、提取困難、數(shù)據(jù)處理程序較為復(fù)雜。適合用于肢體癱瘓患者助力裝置的設(shè)計(jì)。第二類(lèi)為基于人體表面肌電信號(hào)的采集方式。該方法穿戴不便，采集信號(hào)易受干擾，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差，控制難度大。第三類(lèi)為基于運(yùn)動(dòng)物理信號(hào)的采集方式。人體穿戴助力裝置后，人體動(dòng)作、人和助力裝置之間、助力裝置和地面之間都會(huì)產(chǎn)生較為穩(wěn)定、有規(guī)律、不易受干擾，且易于采集的運(yùn)動(dòng)物理信號(hào)，為了保證快速、準(zhǔn)確采集信號(hào)，必須在助力裝置和人體上使用大量不同類(lèi)型的傳感器裝置。

目前在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的人工裝卸搬運(yùn)助力裝置大多采用第三類(lèi)方式采集信號(hào)。

2.分析人體動(dòng)作

根據(jù)所采用的信號(hào)采集方案，具體設(shè)計(jì)和布局傳感器類(lèi)型、數(shù)量以及優(yōu)化安裝位置，并對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行測(cè)量分析，為跟隨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。圖5為人體行走時(shí)下肢動(dòng)作分析。將人體動(dòng)作三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入到仿真軟件中，構(gòu)建仿真模型，分析人體各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)曲線和力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行信號(hào)采集點(diǎn)的優(yōu)化。

3.設(shè)計(jì)跟隨系統(tǒng)控制策略

根據(jù)采集的人體運(yùn)動(dòng)信號(hào)判斷推導(dǎo)人體運(yùn)動(dòng)意圖，研究跟隨系統(tǒng)的控制策略，構(gòu)建跟隨系統(tǒng)，分析研究影響人工助力裝置與人體動(dòng)作一致性的因素。裝卸搬運(yùn)助力裝置基本控制結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

4.選擇助力裝置驅(qū)動(dòng)方式

根據(jù)穿戴者重量、助力裝置自重以及作業(yè)目標(biāo)，設(shè)計(jì)人工裝卸搬運(yùn)助力裝置驅(qū)動(dòng)力，結(jié)合結(jié)構(gòu)布局和系統(tǒng)設(shè)計(jì)重量要求合理選擇動(dòng)力源和傳動(dòng)方式。常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)節(jié)直接電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)連接桿、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)連接桿、氣動(dòng)肌肉四種。

5.設(shè)計(jì)上肢助力裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖6 人工裝卸搬運(yùn)助力裝置基本控制結(jié)構(gòu)

主要工作包括：機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)副的優(yōu)化設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)器件和傳感器的合理布局，運(yùn)動(dòng)自由度的分配和冗余自由度選擇，材料的選擇，支撐與身體防護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)中要充分體現(xiàn)仿生學(xué)和人機(jī)工效學(xué)的思想，盡量模擬真實(shí)人體肢體機(jī)能，穿戴舒適，操作靈活，最大限度地提高助力裝置對(duì)物資裝卸搬運(yùn)的作業(yè)能力和效率。人工裝卸搬運(yùn)助力裝置中上肢助力機(jī)械結(jié)構(gòu)有兩種方案，第一種方案采用懸吊方式（圖7），手臂只是控制方向和穩(wěn)定作用，不承擔(dān)負(fù)載重量。通過(guò)末端執(zhí)行器中傳感器的作用將信息傳到微型處理器中，重物的載荷等于人力與驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的總力，將力轉(zhuǎn)移到助力裝置上，最后轉(zhuǎn)移到地面上。美軍的HULC上肢助力采用此方式。助力動(dòng)作較從前的懸吊式上肢助力裝置更加敏捷有力。

圖7 懸吊式上肢助力裝置原理

第二種方案采用美國(guó)雷神公司的XOS2的上肢機(jī)械助力結(jié)構(gòu)（圖8），主要有機(jī)械骨架、傳感器、傳動(dòng)裝置以及控制器構(gòu)成，由液壓驅(qū)動(dòng)?！癤OS2”的上肢

圖8 液壓驅(qū)動(dòng)上肢助力結(jié)構(gòu)

6.搭建控制系統(tǒng)

人工裝卸搬運(yùn)助力裝置控制系統(tǒng)由末端傳感器、信號(hào)處理與分析、中央控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、信號(hào)反饋系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及電源管理系統(tǒng)等組成。如何快速檢測(cè)人體動(dòng)作信號(hào)并正確判斷，同步或減小助力裝置和穿戴者之間的動(dòng)作誤差，提高電源的利用效率等問(wèn)題是控制系統(tǒng)所需攻克的難點(diǎn)。另外，助力裝置控制程序還須具有自學(xué)習(xí)能力，可以學(xué)習(xí)不同穿戴者的步態(tài)并原樣再現(xiàn)，以便匹配不同穿戴者的步態(tài)特征，這樣不僅可以提高助力裝置和穿戴者之間的同步性，還可以增加穿戴者的舒適性。

四、應(yīng)用前景

人工裝卸搬運(yùn)助力裝置不僅能達(dá)到負(fù)重行走的目的，還具備執(zhí)行裝卸搬運(yùn)等重體力工作的能力。美國(guó)、日本、俄羅斯等國(guó)將人工裝卸搬運(yùn)助力裝置視為人的靈活性、機(jī)動(dòng)性、智慧性與機(jī)器強(qiáng)壯性的有機(jī)結(jié)合，是最具發(fā)展前景和應(yīng)用前景的人工助力系統(tǒng)。

在民用領(lǐng)域，應(yīng)用該技術(shù)可以作為肢體傷殘患者的一種智能、舒適、敏捷、高效的康復(fù)工具；可以為在狹小倉(cāng)儲(chǔ)場(chǎng)所搬運(yùn)物料，從事重體力重復(fù)工作的工人提供一種省力、高效、快捷的搬運(yùn)工具，并能大大提高作業(yè)效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；該技術(shù)還可成為戶外運(yùn)動(dòng)愛(ài)好者的必備工具，可使他們背負(fù)更多的給養(yǎng)或裝備，大大拓展活動(dòng)范圍。

在軍事領(lǐng)域，應(yīng)用人工裝卸搬運(yùn)助力裝置，可為現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的高機(jī)動(dòng)性、高強(qiáng)度的后勤物資收發(fā)、補(bǔ)給方式提供一種實(shí)用型強(qiáng)、效率高的現(xiàn)代后勤單兵裝卸搬運(yùn)工具。

作者單位：（軍事交通學(xué)院）