陳勇剛，王 軍，王道昌

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，陜西 西安710089）

雖然使用一些自動(dòng)化輔助裝備，即“機(jī)器代人”可以解決部分問題，然而對(duì)于飛機(jī)裝配中許多勞動(dòng)密集工藝無法使用機(jī)器替代。因此，有必要探索一種將人體的智能性、靈活性與機(jī)械系統(tǒng)的出力大、耐疲勞的特性相結(jié)合的方法。

穿戴式外骨骼系統(tǒng)是一種可穿戴在人體身上并受穿戴者肢體運(yùn)動(dòng)直接控制的人機(jī)融合系統(tǒng)。通過感知操作者的肢體姿態(tài)和動(dòng)作意圖與人體同步運(yùn)動(dòng)，負(fù)載力能從外骨骼中傳遞，從而使勞動(dòng)者輕松地完成精細(xì)化作業(yè)，即實(shí)現(xiàn)“機(jī)器助人”。

先進(jìn)性：徹底突破了傳統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的工作模式，采用體感式操作，無需專門培訓(xùn)，靈活機(jī)動(dòng)，通用性強(qiáng)。

技術(shù)基礎(chǔ)：串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、微傳感器技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析仿真與分析技術(shù)、人機(jī)工程學(xué)、工程材料學(xué)等技術(shù)。

1 飛機(jī)的裝配

與一般機(jī)械產(chǎn)品不同，飛機(jī)裝配是整個(gè)飛機(jī)制造過程的龍頭，一般占到飛機(jī)生產(chǎn)周期的50%～70%，對(duì)整個(gè)飛機(jī)的質(zhì)量有至關(guān)重要的作用，是飛機(jī)制造的最重要環(huán)節(jié)之一。

飛機(jī)裝配是將各零件或組合件按產(chǎn)品技術(shù)要求相互準(zhǔn)確定位，并用規(guī)定的連接方法裝配成部件或產(chǎn)品的過程。受結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)剛性等因素影響，在飛機(jī)裝配中大量采用鉚接和螺接等連接手段，同時(shí)為了保證裝配協(xié)調(diào)及外形準(zhǔn)確度要求，并保證裝配過程中組件、部件具有一定的結(jié)構(gòu)剛度，飛機(jī)裝配中采用了大量的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、準(zhǔn)確度高的裝配型架。

經(jīng)過近30年的研究和發(fā)展，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)方面已日趨成熟。飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)涉及數(shù)控柔性定位技術(shù)、數(shù)控制孔技術(shù)、數(shù)字化測(cè)量技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件等眾多先進(jìn)技術(shù)和裝備，是機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)等多學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)。

1) 根據(jù)下級(jí)指標(biāo)Ai，將上級(jí)指標(biāo)A的決策數(shù)據(jù)集成為(a1,a2,…,ai,…,an)，將數(shù)據(jù)按由大到小重新排列，得到新數(shù)列B=(b1,b2,…,bj,…,bn).

我國(guó)飛機(jī)自動(dòng)化裝配技術(shù)的應(yīng)用經(jīng)過20多年的發(fā)展已經(jīng)從組件裝配拓寬到復(fù)雜的部件裝配以及大部件對(duì)接過程中，并對(duì)飛機(jī)自動(dòng)化總裝配中關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了攻關(guān)，但亟待在自動(dòng)化總裝配生產(chǎn)線方面實(shí)現(xiàn)整體突破，打造完整的飛機(jī)自動(dòng)化裝配生產(chǎn)線。

不同一般工業(yè)，飛機(jī)的制造和裝配，不可能也沒有辦法完全自動(dòng)化。包括國(guó)外的波音、空客等最先進(jìn)的飛機(jī)制造公司，還是需要大量的人工進(jìn)行組裝和裝配。更不要說，像飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等基本上不可能采用自動(dòng)化的設(shè)備或者機(jī)器人進(jìn)行人工替代。

隨著這些年我國(guó)航空領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，飛機(jī)生產(chǎn)任務(wù)日益繁重。工人的勞動(dòng)強(qiáng)度不斷加大，飛機(jī)裝配工人職業(yè)病頻發(fā)，延長(zhǎng)工人的技術(shù)壽命尤其重要。根據(jù)美國(guó)勞工部給出的數(shù)據(jù)，在工人中，背部、膝蓋、肩部和胳膊的損傷被列為最常見的工傷。這些文獻(xiàn)都可以在網(wǎng)上找到，比如工人們的收入支出有近160億美元都花費(fèi)在治療背部損傷上。這些疾病發(fā)病率非常高，給企業(yè)帶來了很大的負(fù)擔(dān)，也給工人的生活帶來了痛苦。

結(jié)合國(guó)內(nèi)幾家飛機(jī)主機(jī)廠的生產(chǎn)實(shí)際，工人們都是透支自己的身體努力工作。背部、膝蓋、肩部和胳膊的損傷和疲勞日益嚴(yán)重。如果他們持續(xù)這樣的工作狀態(tài)，年紀(jì)大了之后，可能就會(huì)變成殘疾人，喪失部分或全部生活自理能力了。

飛機(jī)機(jī)械裝配連接技術(shù)主要分為鉚接和螺接兩種，是目前飛機(jī)主要的裝配連接方式。

圖1所示為裝配車間非常常見的工況：工人需要舉起雙臂進(jìn)行作業(yè)。

圖1

從這個(gè)作業(yè)的受力分析看，工人除了正常作業(yè)所需的擰螺絲或者鉆孔、鉚接等力氣外，他們還需承受工具等重量。工人持續(xù)這種工作姿態(tài)3-5分鐘就已經(jīng)非常疲勞了。工人們的工作量非常大，每天都要進(jìn)行這樣的重復(fù)性勞動(dòng)。這樣重復(fù)性的動(dòng)作使得肱二頭肌、肱三頭肌和三角肌等部位受力很大，肱骨的勞損嚴(yán)重，圖2所示。

圖2

類似這個(gè)工況，在飛機(jī)的裝配，特別是大飛機(jī)的機(jī)身裝配，這種工作姿態(tài)/姿勢(shì)更加頻繁。

國(guó)家提出“中國(guó)制造2025”，產(chǎn)業(yè)升級(jí)改造是制造型企業(yè)亟待解決的問題，“機(jī)器代人，機(jī)器助人”成為提高生產(chǎn)效率、降低人力成本的有效途徑?？纱┐魍夤趋赖难芯块_發(fā)及在飛機(jī)裝配中的使用顯得特別有意義。

2 可穿戴外骨骼

可穿戴外骨骼，或者助力外骨骼，在國(guó)外發(fā)展比較早。1963年，美國(guó)陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯?shù)履岚l(fā)表了一份報(bào)告，描述他設(shè)計(jì)的可穿戴機(jī)器外衣，它將使穿著者獲得“綠巨人”式的力量，但是當(dāng)時(shí)還不存在實(shí)現(xiàn)這個(gè)構(gòu)想的技術(shù)。除了少數(shù)非軍事設(shè)計(jì)外，真正超能外衣的前景渺茫。直到2000年，Darpa開始為期7年投資7500萬美元的機(jī)械外骨骼研究計(jì)劃。那時(shí)，少數(shù)機(jī)械外骨骼支持者認(rèn)為，包括美國(guó)陸軍上校杰克·奧布瑟克，技術(shù)終于追趕上構(gòu)想。從1995年起，奧布瑟克就協(xié)助推進(jìn)外骨骼研究。他認(rèn)為，隨著感應(yīng)器日益變得更小，功能更全面，處理器速度加快，他和其他支持者有理由相信機(jī)械外骨骼有可能成為現(xiàn)實(shí)。

比較典型的有美國(guó)伯克利大學(xué)研發(fā)的BLEEX，通過外骨骼機(jī)構(gòu)將背負(fù)的載荷力傳遞到地面，主要用于提高士兵越野負(fù)重能力。日本筑波大學(xué)研制出了世界上第一套商業(yè)外骨骼助力機(jī)器人（HAL），一次充電工作時(shí)間可達(dá)到近2小時(shí)40分鐘，主要用于助力搬運(yùn)領(lǐng)域。在醫(yī)療領(lǐng)域典型的有以色列Rewalk公司開發(fā)的助殘機(jī)器人，主要用于高位截癱病人輔助行走。

國(guó)內(nèi)外骨骼機(jī)器人技術(shù)的研究工作相對(duì)滯后。目前，研究比較成功的單位是海軍航空工程學(xué)院，該學(xué)院在2006年就設(shè)計(jì)完成了第一代面向軍事應(yīng)用的骨骼服樣機(jī)，命名為NES-1，目前已推出第三代樣機(jī)，初步具備野外負(fù)重運(yùn)動(dòng)能力。

對(duì)于裝配生產(chǎn)線上使用的助力外骨骼，目前國(guó)內(nèi)外研發(fā)的不多。主要有美國(guó)的公司開發(fā)的一系列無動(dòng)力外骨骼模塊，分為肩部模塊、背部模塊、腿部模塊。通過彈性關(guān)節(jié)裝置對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)提供助力支撐。還有洛克馬丁公司開發(fā)的全身型的無動(dòng)力外骨骼系統(tǒng)Fortis，目前主要運(yùn)用于軍艦生產(chǎn)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)的飛機(jī)主機(jī)廠在2017年左右開始關(guān)注可穿戴外骨骼的應(yīng)用，特別是在機(jī)身裝配生產(chǎn)線上。經(jīng)過多年的調(diào)查和結(jié)合自身的生產(chǎn)實(shí)際，分析了飛機(jī)裝配工藝中操作者的操作姿態(tài)：（1）梳理飛機(jī)裝配生產(chǎn)工藝，根據(jù)工藝特點(diǎn)規(guī)劃操作者作業(yè)姿態(tài)；（2）根據(jù)操作者作業(yè)姿態(tài)確定需要助力的關(guān)節(jié)部位；（3）針對(duì)不同的作業(yè)姿態(tài)規(guī)劃相應(yīng)的外骨骼模塊配置方案。

生產(chǎn)線工人們反饋?zhàn)疃嗟娜菀灼诤凸ぷ鲝?qiáng)度最大的部位在肩臂部位、腿膝部和腰背部。經(jīng)過幾年的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，如某鉆孔工位，工人需要經(jīng)常彎腰，多年的工作導(dǎo)致腰椎勞損甚至腰椎盤突出等問題，如圖3所示。針對(duì)腰背部的外骨骼能有效減少背椎壓縮力，如圖4所示。

圖3 L5/S1椎間盤部位

圖4 腰背部的外骨骼能減少脊椎壓縮力60%

收集相關(guān)的實(shí)際操作工位數(shù)據(jù)后，進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)：

（1）分析手臂在抬舉作業(yè)過程中肩關(guān)節(jié)的力學(xué)特性。

（2）根據(jù)肩關(guān)節(jié)的力學(xué)特性設(shè)計(jì)一款彈性關(guān)節(jié)裝置，用于在向下抬放時(shí)儲(chǔ)存人體重力勢(shì)能，在向上升舉時(shí)釋放出機(jī)械能。在能量的存儲(chǔ)和釋放過程中實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)負(fù)載的有效平衡，進(jìn)而緩解肩周肌肉的疲勞。

（3）開發(fā)肩關(guān)節(jié)外骨骼模塊的穿戴系統(tǒng)，符合中國(guó)人的體格特點(diǎn)，能靈活調(diào)節(jié)穿戴尺寸。人機(jī)接觸部位的設(shè)置符合力傳遞規(guī)律，貼合面材質(zhì)柔軟、易排汗、通透性好，長(zhǎng)期佩帶不會(huì)對(duì)人體皮膚或者組織產(chǎn)生傷害。

（4）開發(fā)一套精巧的髖部外骨骼模塊的具體結(jié)構(gòu)，材質(zhì)輕、強(qiáng)度大、運(yùn)動(dòng)可靠性高。

后續(xù)，我們?cè)俑鶕?jù)不同工位和不同工人們的反饋，收集使用過程中的問題點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，期望工人通過使用可穿戴外骨骼，可以減少操作中的疲勞感和職業(yè)病的發(fā)病率，提高工作質(zhì)量，延長(zhǎng)技術(shù)壽命，特別是某些關(guān)鍵的工位。

另外，我們將根據(jù)人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，往體積小、重量輕、穿戴更方便、價(jià)格更便宜等方向進(jìn)行改進(jìn)，從而給工人提供最大的舒適性。