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(fā)展的快遞行業(yè)，解決家電類箱式貨物運送難的問題，本項目采用機械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、自動化控制技術(shù)和先進材料作為研發(fā)基礎(chǔ)，設(shè)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(jié)構(gòu)特點及技術(shù)創(chuàng)新性，對于搬運助力裝置領(lǐng)域的研究工作及未來發(fā)展方向，具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)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(nèi)外現(xiàn)狀

現(xiàn)階段國內(nèi)外對可穿戴人體助力器的研究成果大多都針對老年人、醫(yī)療和軍事應(yīng)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(jié)合，并且都有一定的研究成果。美國加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)了一種可負重的動力型外骨骼 BLEEX系統(tǒng)，該系統(tǒng)靠液壓驅(qū)動，可以完整完成下肢7個自由度的活動[1]。日本研發(fā)了PAS氣壓動力服，該氣壓動力服是一種專門為醫(yī)護人員設(shè)計的外骨骼裝置，該裝置包括肩部、手臂、腰及腿部等結(jié)構(gòu)，依靠氣動系統(tǒng)提供動力，可以輔助醫(yī)護人員看護行動不便的患者[2]。我國中科院和浙江大學(xué)等針對日益增多的腦卒中病人康復(fù)訓(xùn)練需求，研發(fā)了傳感系統(tǒng)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(fù)雜的傳感系統(tǒng)，并且造價昂貴，導(dǎo)致適用范圍小，實用價值并不樂觀[5]。

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)消費的日益增加，貨物運輸總量逐年呈直線上升趨勢，導(dǎo)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(jīng)過前期市場調(diào)研，國內(nèi)外快遞配送行業(yè)，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(tài)。所以，本項目針對物流快遞行業(yè)，研發(fā)一款便攜助力裝置具有市場創(chuàng)新性。

2 ?研究內(nèi)容

2.1 設(shè)計思路

（1）產(chǎn)品的模擬仿真：通過計算機制圖仿真，模擬產(chǎn)品的整體構(gòu)造及運行過程;

（2）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計：通過模擬的結(jié)果及市場的調(diào)研實際情況，設(shè)計出產(chǎn)品形狀和結(jié)構(gòu);

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

（4）控制系統(tǒng)試驗與選配：根據(jù)設(shè)計理念，需將電機驅(qū)動部分進行改裝，進行電池匹配，完成整個控制系統(tǒng)的測試工作;

（5）產(chǎn)品的裝配和調(diào)試;

（6）產(chǎn)品試驗階段。

2.2 技術(shù)特點

本裝置采用機械結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)、自動化控制技術(shù)和先進材料作為研發(fā)基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮產(chǎn)品整體設(shè)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(xiàn)），在機械控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，引入遙控控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)驅(qū)動伸縮桿調(diào)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(tǒng)采用超級微鋰電池和改裝電機構(gòu)成，整體的主體材料采用復(fù)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(fā)，穿戴人體上，可實現(xiàn)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(chǎn)品展開狀態(tài)示意圖如圖1。該裝置主要由（1）電機系統(tǒng);（2）穿戴系統(tǒng);（3）升降系統(tǒng);（4）拖物折疊系統(tǒng)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(tǒng)調(diào)節(jié)伸縮桿長度來控制重物高度，節(jié)省了勞動力、提高了工作效率和安全性。

4 ?產(chǎn)品創(chuàng)新性

（1）多功能創(chuàng)新：綜合考慮人在徒手運送貨物過程中存在的困難，本產(chǎn)品實現(xiàn)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(jié)省體力消耗;

（2）技術(shù)創(chuàng)新：脫離了單純的機械控制結(jié)構(gòu)，引入了遙控控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遙控器控制產(chǎn)品各項功能，增強了人的自由操控性;

（3）設(shè)計創(chuàng)新：利用物理力學(xué)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(dǎo)致受傷，符合人體結(jié)構(gòu)學(xué);

（4）材質(zhì)創(chuàng)新：產(chǎn)品材料將采用航空鋁和碳纖維復(fù)合材料，使產(chǎn)品最大輕量化，以達到便攜的目的。

5 ?結(jié)語

從國內(nèi)外助力裝置的發(fā)展現(xiàn)狀得出，針對老人、醫(yī)療和軍事行業(yè)的助力裝置已經(jīng)比較成熟，但是很少有關(guān)于針對物流行業(yè)人工便攜助力裝置研發(fā)的相關(guān)報道。本項目研發(fā)從裝置的內(nèi)容、特點、功能和創(chuàng)新性進行介紹，在這個互聯(lián)網(wǎng)購物飛速發(fā)展的社會，未來的快遞行業(yè)對貨物的配送將面臨前所未有的壓力，本項目的研發(fā)不僅具有極大的創(chuàng)新性，而且具有廣闊的市場前景。

參考文獻

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[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(tǒng)研究[J].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)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(tǒng)設(shè)計[J].浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2014，48（3）：430-435.

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