一、概述

一些昆蟲類動物，長有身體以外的骨骼，具有支撐、保護(hù)身體的作用，被稱為外骨骼。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)計一套體外支架，通過均衡分配外掛物重量，傳導(dǎo)、放大穿戴者的肢體動感，做到既增強(qiáng)個人負(fù)重能力，又保持其行動靈活性，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)動保持協(xié)調(diào)一致，負(fù)重通過“助力裝置”轉(zhuǎn)移到地面，人體感受的負(fù)重只有實際負(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)是近年來的熱點研究領(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。其研究內(nèi)容包括外骨骼機(jī)械裝置、人-機(jī)系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析、多傳感器信息融合理論、人體運(yùn)動意圖的判別及控制方法等方面。

1.國外情況

美國是世界上首先開展人工裝卸搬運(yùn)助力裝置研究的國家，其定義為“外骨骼服”。早在20世紀(jì)60年代，美國通用電器公司研發(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）。美國國防部高級研究項目局于2000年出資五千萬美元用于資助對能夠增強(qiáng)人體機(jī)能的外骨骼（Exoske le ton for Hum an Perform ance Augum entation，EHPA）的研究與開發(fā)。獲得該項目資助的有加州大學(xué)伯克利分校的人體工程實驗室（HEL）、雷神薩科斯公司（Ray theon Sarcos）、橡樹嶺國家實驗室（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，可使士兵負(fù)重量達(dá)到75kg，并以0.9m/s的速度行走，在沒有負(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)一個小時，而沖刺速度則可達(dá)到16km/h。

圖1 BLEXX系列外骨骼

2011年在法國巴黎舉行的國際軍警保安器材展（M ILIPOL）上，法國某防務(wù)公司展出了其與法國武器裝備總署聯(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瘛蓖夤趋赖莫毺刂幵谟诓徊捎脽o線電控制，能夠自動探測到肢體運(yùn)動，隨后根據(jù)支持意圖代替穿戴者執(zhí)行這一動作。

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僅為實際重量的十分之一，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實驗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4公里的速度行走，毫不費力地爬樓梯，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、印度等國均在人工裝卸搬運(yùn)助力裝置研究方面取得了一定進(jìn)展。

2.國內(nèi)情況

近年來，我國有多家單位相繼開展了外骨骼助力裝置的研究工作。目前已開展相關(guān)研究的科研院所有中科院、中國科技大學(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)品問世。

圖5 人體行走動作分析

軍內(nèi)已有海軍航空工程學(xué)院、總裝工程兵裝備論證實驗研究所、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.獲取人體動作信號

適合于人工裝卸搬運(yùn)助力裝置的人體信號獲取方式大致可分為三類。第一類為基于人體腦電信號的采集方式。腦電信號微弱、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。第二類為基于人體表面肌電信號的采集方式。該方法穿戴不便，采集信號易受干擾，穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性差，控制難度大。第三類為基于運(yùn)動物理信號的采集方式。人體穿戴助力裝置后，人體動作、人和助力裝置之間、助力裝置和地面之間都會產(chǎn)生較為穩(wěn)定、有規(guī)律、不易受干擾，且易于采集的運(yùn)動物理信號，為了保證快速、準(zhǔn)確采集信號，必須在助力裝置和人體上使用大量不同類型的傳感器裝置。

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方式采集信號。

2.分析人體動作

根據(jù)所采用的信號采集方案，具體設(shè)計和布局傳感器類型、數(shù)量以及優(yōu)化安裝位置，并對傳感器信號進(jìn)行測量分析，為跟隨系統(tǒng)的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。圖5為人體行走時下肢動作分析。將人體動作三維掃描數(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)動曲線和力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行信號采集點的優(yōu)化。

3.設(shè)計跟隨系統(tǒng)控制策略

根據(jù)采集的人體運(yùn)動信號判斷推導(dǎo)人體運(yùn)動意圖，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)見圖6。

4.選擇助力裝置驅(qū)動方式

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

5.設(shè)計上肢助力裝置機(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)動副的優(yōu)化設(shè)計，驅(qū)動器件和傳感器的合理布局，運(yùn)動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)計等。設(shè)計中要充分體現(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、傳動裝置以及控制器構(gòu)成，由液壓驅(qū)動?！癤OS2”的上肢

圖8 液壓驅(qū)動上肢助力結(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、信號處理與分析、中央控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、信號反饋系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及電源管理系統(tǒng)等組成。如何快速檢測人體動作信號并正確判斷，同步或減小助力裝置和穿戴者之間的動作誤差，提高電源的利用效率等問題是控制系統(tǒng)所需攻克的難點。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、日本、俄羅斯等國將人工裝卸搬運(yùn)助力裝置視為人的靈活性、機(jī)動性、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；可以為在狹小倉儲場所搬運(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，減輕勞動強(qiáng)度；該技術(shù)還可成為戶外運(yùn)動愛好者的必備工具，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)爭的高機(jī)動性、高強(qiáng)度的后勤物資收發(fā)、補(bǔ)給方式提供一種實用型強(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）