一種可穿戴式新型助力裝置的研究

李任偉 劉君

摘 ? 要：針對迅猛發展的快遞行業，解決家電類箱式貨物運送難的問題，本項目采用機械結構設計技術、自動化控制技術和先進材料作為研發基礎，設計輕便、實用的可穿戴式助力裝置，該裝置具有平地充當拖車作用，上樓扶持貨物和遙控升降裝卸貨功能，分析了該裝置的結構特點及技術創新性，對于搬運助力裝置領域的研究工作及未來發展方向，具有一定的指導意義。

關鍵詞：穿戴式 ?助力裝置 ?裝卸搬運

中圖分類號：TH789 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（c）-0056-02

1 ?國內外現狀

現階段國內外對可穿戴人體助力器的研究成果大多都針對老年人、醫療和軍事應用方面。美國和日本是研究人體外骨骼助力裝置最早的國家，將人工裝卸搬運助力裝置視為人的靈活性、機動性、智慧性與助力裝置的有機結合，并且都有一定的研究成果。美國加州大學伯克利分校研發了一種可負重的動力型外骨骼 BLEEX系統，該系統靠液壓驅動，可以完整完成下肢7個自由度的活動[1]。日本研發了PAS氣壓動力服，該氣壓動力服是一種專門為醫護人員設計的外骨骼裝置，該裝置包括肩部、手臂、腰及腿部等結構，依靠氣動系統提供動力，可以輔助醫護人員看護行動不便的患者[2]。我國中科院和浙江大學等針對日益增多的腦卒中病人康復訓練需求，研發了傳感系統控制的新型的外骨骼機器人[3，4]。外骨骼穿戴式助力機器人雖然能夠輸出較大的助力，但由于其龐大的外骨骼框架， 加之復雜的傳感系統，并且造價昂貴，導致適用范圍小，實用價值并不樂觀[5]。

隨著我國經濟的快速發展和互聯網消費的日益增加，貨物運輸總量逐年呈直線上升趨勢，導致配送工人壓力越來越大。尤其是體積大型箱式貨物，在外界條件有限的情況下，只能由人來完成最后的運送，在此過程中搬運工人存在勞動強度大、行走不便和爬樓困難等問題，嚴重影響了工作效率。經過前期市場調研，國內外快遞配送行業，除助力推車類器械外，市場上少有便攜可穿戴式的助力裝置，市場處于一種急需狀態。所以，本項目針對物流快遞行業，研發一款便攜助力裝置具有市場創新性。

2 ?研究內容

2.1 設計思路

（1）產品的模擬仿真：通過計算機制圖仿真，模擬產品的整體構造及運行過程;

（2）產品結構設計：通過模擬的結果及市場的調研實際情況，設計出產品形狀和結構;

（3）材料的選擇與試驗：根據產品各部位功能的特點，選擇能滿足力學條件的理想輕質材料，通過材料力學性能試驗，確定最終選材;

（4）控制系統試驗與選配：根據設計理念，需將電機驅動部分進行改裝，進行電池匹配，完成整個控制系統的測試工作;

（5）產品的裝配和調試;

（6）產品試驗階段。

2.2 技術特點

本裝置采用機械結構設計技術、自動化控制技術和先進材料作為研發基礎。結構設計充分考慮產品整體設計合理性和安全性（裝置與人體匹配的舒適性、自由性的體現），在機械控制結構基礎上，引入遙控控制系統，控制系統驅動伸縮桿調整拖物平臺高度，可以使拖物平臺落地后充當拖車功能，抬起后充當手臂拖物功能，增強了人的自由操控性和安全性，控制系統采用超級微鋰電池和改裝電機構成，整體的主體材料采用復合碳纖維和航空鋁。

3 ?功能簡介

該裝置主要針對家電類箱式貨物研發，穿戴人體上，可實現平地拖車、上樓扶持貨物和遙控升降裝卸貨功能，有效提高工人的工作效率、安全性和自由性。產品展開狀態示意圖如圖1。該裝置主要由（1）電機系統;（2）穿戴系統;（3）升降系統;（4）拖物折疊系統組成。圖2和圖3分別為工作人員模擬平地工作和爬樓工作時的效果圖，工作人員在平地搬運貨物過程中，此助力裝置可以充當拖車使用，在從平地過渡到爬樓過程時，可將物體背起，通過遙控系統調節伸縮桿長度來控制重物高度，節省了勞動力、提高了工作效率和安全性。

4 ?產品創新性

（1）多功能創新：綜合考慮人在徒手運送貨物過程中存在的困難，本產品實現平地拖車、上樓輔助和遙控升降裝卸功能，提高了工人工作效率并節省體力消耗;

（2）技術創新：脫離了單純的機械控制結構，引入了遙控控制系統，實現遙控器控制產品各項功能，增強了人的自由操控性;

（3）設計創新：利用物理力學分解原理，將貨物重力分配到人的肩部、后背和腰部，防止身體的局部單一受力而導致受傷，符合人體結構學;

（4）材質創新：產品材料將采用航空鋁和碳纖維復合材料，使產品最大輕量化，以達到便攜的目的。

5 ?結語

從國內外助力裝置的發展現狀得出，針對老人、醫療和軍事行業的助力裝置已經比較成熟，但是很少有關于針對物流行業人工便攜助力裝置研發的相關報道。本項目研發從裝置的內容、特點、功能和創新性進行介紹，在這個互聯網購物飛速發展的社會，未來的快遞行業對貨物的配送將面臨前所未有的壓力，本項目的研發不僅具有極大的創新性，而且具有廣闊的市場前景。

參考文獻

[1] Kazerooni H， Steger R， Huang L. Hybrid control of the Berkeley lower extremity exoskeleton （BLEEX）[J]. The International Journal of Robotics Research，2006，25（5-6）： 561-573.

[2] Yamamoto K.Stand Alone Wearable Power Assisting Suit-Sensing and ?Control Systems[C]Proceedings of the 13th IEEE International Workshop on Robot and Human Interactive Communication， ?Roman： IEEE，2004： 661-666.

[3] 孫建，余永，葛運建，等.基于接觸力信息的可穿戴型下肢助力機器人傳感系統研究[J].中國科學技術大學學報， 2008， 38（12）：1432-1438.

[4] 楊巍，張秀峰，楊燦軍，等.基于人機5桿模型的下肢外骨骼系統設計[J].浙江大學學報（工學版），2014，48（3）：430-435.

[5] 高波.人工裝卸搬運助力裝置研究現狀及關鍵技術[J].中國儲運，2014（12）：144-147.