敏捷型無動力人體外骨骼在飛機裝配中的探索與應用

陳勇剛，王 軍，王道昌

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，陜西 西安710089）

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

穿戴式外骨骼系統是一種可穿戴在人體身上并受穿戴者肢體運動直接控制的人機融合系統。通過感知操作者的肢體姿態和動作意圖與人體同步運動，負載力能從外骨骼中傳遞，從而使勞動者輕松地完成精細化作業，即實現“機器助人”。

先進性：徹底突破了傳統自動化設備的工作模式，采用體感式操作，無需專門培訓，靈活機動，通用性強。

技術基礎：串聯機構設計技術、微傳感器技術、運動學及動力學分析仿真與分析技術、人機工程學、工程材料學等技術。

1 飛機的裝配

與一般機械產品不同，飛機裝配是整個飛機制造過程的龍頭，一般占到飛機生產周期的50%～70%，對整個飛機的質量有至關重要的作用，是飛機制造的最重要環節之一。

飛機裝配是將各零件或組合件按產品技術要求相互準確定位，并用規定的連接方法裝配成部件或產品的過程。受結構特點和結構剛性等因素影響，在飛機裝配中大量采用鉚接和螺接等連接手段，同時為了保證裝配協調及外形準確度要求，并保證裝配過程中組件、部件具有一定的結構剛度，飛機裝配中采用了大量的結構復雜、準確度高的裝配型架。

經過近30年的研究和發展，歐美等發達國家在飛機自動化裝配技術方面已日趨成熟。飛機自動化裝配技術涉及數控柔性定位技術、數控制孔技術、數字化測量技術和計算機軟件等眾多先進技術和裝備，是機械、電子、控制、計算機等多學科交叉融合的高新技術。

1) 根據下級指標Ai，將上級指標A的決策數據集成為(a1,a2,…,ai,…,an)，將數據按由大到小重新排列，得到新數列B=(b1,b2,…,bj,…,bn).

我國飛機自動化裝配技術的應用經過20多年的發展已經從組件裝配拓寬到復雜的部件裝配以及大部件對接過程中，并對飛機自動化總裝配中關鍵技術進行了攻關，但亟待在自動化總裝配生產線方面實現整體突破，打造完整的飛機自動化裝配生產線。

不同一般工業，飛機的制造和裝配，不可能也沒有辦法完全自動化。包括國外的波音、空客等最先進的飛機制造公司，還是需要大量的人工進行組裝和裝配。更不要說，像飛機發動機等基本上不可能采用自動化的設備或者機器人進行人工替代。

隨著這些年我國航空領域的蓬勃發展，飛機生產任務日益繁重。工人的勞動強度不斷加大，飛機裝配工人職業病頻發，延長工人的技術壽命尤其重要。根據美國勞工部給出的數據，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。這些文獻都可以在網上找到，比如工人們的收入支出有近160億美元都花費在治療背部損傷上。這些疾病發病率非常高，給企業帶來了很大的負擔，也給工人的生活帶來了痛苦。

結合國內幾家飛機主機廠的生產實際，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重。如果他們持續這樣的工作狀態，年紀大了之后，可能就會變成殘疾人，喪失部分或全部生活自理能力了。

飛機機械裝配連接技術主要分為鉚接和螺接兩種，是目前飛機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行作業。

圖1

從這個作業的受力分析看，工人除了正常作業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。工人持續這種工作姿態3-5分鐘就已經非常疲勞了。工人們的工作量非常大，每天都要進行這樣的重復性勞動。這樣重復性的動作使得肱二頭肌、肱三頭肌和三角肌等部位受力很大，肱骨的勞損嚴重，圖2所示。

圖2

類似這個工況，在飛機的裝配，特別是大飛機的機身裝配，這種工作姿態/姿勢更加頻繁。

國家提出“中國制造2025”，產業升級改造是制造型企業亟待解決的問題，“機器代人，機器助人”成為提高生產效率、降低人力成本的有效途徑。可穿戴外骨骼的研究開發及在飛機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，在國外發展比較早。1963年，美國陸軍武器研究者謝爾蓋·扎魯德尼發表了一份報告，描述他設計的可穿戴機器外衣，它將使穿著者獲得“綠巨人”式的力量，但是當時還不存在實現這個構想的技術。除了少數非軍事設計外，真正超能外衣的前景渺茫。直到2000年，Darpa開始為期7年投資7500萬美元的機械外骨骼研究計劃。那時，少數機械外骨骼支持者認為，包括美國陸軍上校杰克·奧布瑟克，技術終于追趕上構想。從1995年起，奧布瑟克就協助推進外骨骼研究。他認為，隨著感應器日益變得更小，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械外骨骼有可能成為現實。

比較典型的有美國伯克利大學研發的BLEEX，通過外骨骼機構將背負的載荷力傳遞到地面，主要用于提高士兵越野負重能力。日本筑波大學研制出了世界上第一套商業外骨骼助力機器人（HAL），一次充電工作時間可達到近2小時40分鐘，主要用于助力搬運領域。在醫療領域典型的有以色列Rewalk公司開發的助殘機器人，主要用于高位截癱病人輔助行走。

國內外骨骼機器人技術的研究工作相對滯后。目前，研究比較成功的單位是海軍航空工程學院，該學院在2006年就設計完成了第一代面向軍事應用的骨骼服樣機，命名為NES-1，目前已推出第三代樣機，初步具備野外負重運動能力。

對于裝配生產線上使用的助力外骨骼，目前國內外研發的不多。主要有美國的公司開發的一系列無動力外骨骼模塊，分為肩部模塊、背部模塊、腿部模塊。通過彈性關節裝置對各個關節提供助力支撐。還有洛克馬丁公司開發的全身型的無動力外骨骼系統Fortis，目前主要運用于軍艦生產領域。

國內的飛機主機廠在2017年左右開始關注可穿戴外骨骼的應用，特別是在機身裝配生產線上。經過多年的調查和結合自身的生產實際，分析了飛機裝配工藝中操作者的操作姿態：（1）梳理飛機裝配生產工藝，根據工藝特點規劃操作者作業姿態；（2）根據操作者作業姿態確定需要助力的關節部位；（3）針對不同的作業姿態規劃相應的外骨骼模塊配置方案。

生產線工人們反饋最多的容易疲勞和工作強度最大的部位在肩臂部位、腿膝部和腰背部。經過幾年的調研發現，如某鉆孔工位，工人需要經常彎腰，多年的工作導致腰椎勞損甚至腰椎盤突出等問題，如圖3所示。針對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%

收集相關的實際操作工位數據后，進行分析和設計：

（1）分析手臂在抬舉作業過程中肩關節的力學特性。

（2）根據肩關節的力學特性設計一款彈性關節裝置，用于在向下抬放時儲存人體重力勢能，在向上升舉時釋放出機械能。在能量的存儲和釋放過程中實現肩關節負載的有效平衡，進而緩解肩周肌肉的疲勞。

（3）開發肩關節外骨骼模塊的穿戴系統，符合中國人的體格特點，能靈活調節穿戴尺寸。人機接觸部位的設置符合力傳遞規律，貼合面材質柔軟、易排汗、通透性好，長期佩帶不會對人體皮膚或者組織產生傷害。

（4）開發一套精巧的髖部外骨骼模塊的具體結構，材質輕、強度大、運動可靠性高。

后續，我們再根據不同工位和不同工人們的反饋，收集使用過程中的問題點進行持續的改進，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病的發病率，提高工作質量，延長技術壽命，特別是某些關鍵的工位。

另外，我們將根據人體工程學設計，往體積小、重量輕、穿戴更方便、價格更便宜等方向進行改進，從而給工人提供最大的舒適性。