一种可穿戴式新型助力装置的研究

李任伟 刘君

摘   要：针对迅猛发展的快递行业，解决家电类箱式货物运送难的问题，本项目采用机械结构设计技术、自动化控制技术和先进材料作为研发基础，设计轻便、实用的可穿戴式助力装置，该装置具有平地充当拖车作用，上楼扶持货物和遥控升降装卸货功能，分析了该装置的结构特点及技术创新性，对于搬运助力装置领域的研究工作及未来发展方向，具有一定的指导意义。

关键词：穿戴式  助力装置  装卸搬运

中图分类号：TH789                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（c）-0056-02

1  国内外现状

现阶段国内外对可穿戴人体助力器的研究成果大多都针对老年人、医疗和军事应用方面。美国和日本是研究人体外骨骼助力装置最早的国家，将人工装卸搬运助力装置视为人的灵活性、机动性、智慧性与助力装置的有机结合，并且都有一定的研究成果。美国加州大学伯克利分校研发了一种可负重的动力型外骨骼 BLEEX系统，该系统靠液压驱动，可以完整完成下肢7个自由度的活动[1]。日本研发了PAS气压动力服，该气压动力服是一种专门为医护人员设计的外骨骼装置，该装置包括肩部、手臂、腰及腿部等结构，依靠气动系统提供动力，可以辅助医护人员看护行动不便的患者[2]。我国中科院和浙江大学等针对日益增多的脑卒中病人康复训练需求，研发了传感系统控制的新型的外骨骼机器人[3，4]。外骨骼穿戴式助力机器人虽然能够输出较大的助力，但由于其庞大的外骨骼框架， 加之复杂的传感系统，并且造价昂贵，导致适用范围小，实用价值并不乐观[5]。

随着我国经济的快速发展和互联网消费的日益增加，货物运输总量逐年呈直线上升趋势，导致配送工人压力越来越大。尤其是体积大型箱式货物，在外界条件有限的情况下，只能由人来完成最后的运送，在此过程中搬运工人存在劳动强度大、行走不便和爬楼困难等问题，严重影响了工作效率。经过前期市场调研，国内外快递配送行业，除助力推车类器械外，市场上少有便携可穿戴式的助力装置，市场处于一种急需状态。所以，本项目针对物流快递行业，研发一款便携助力装置具有市场创新性。

2  研究内容

2.1 设计思路

（1）产品的模拟仿真：通过计算机制图仿真，模拟产品的整体构造及运行过程;

（2）产品结构设计：通过模拟的结果及市场的调研实际情况，设计出产品形状和结构;

（3）材料的选择与试验：根据产品各部位功能的特点，选择能满足力学条件的理想轻质材料，通过材料力学性能试验，确定最终选材;

（4）控制系统试验与选配：根据设计理念，需将电机驱动部分进行改装，进行电池匹配，完成整个控制系统的测试工作;

（5）产品的装配和调试;

（6）产品试验阶段。

2.2 技术特点

本装置采用机械结构设计技术、自动化控制技术和先进材料作为研发基础。结构设计充分考虑产品整体设计合理性和安全性（装置与人体匹配的舒适性、自由性的体现），在机械控制结构基础上，引入遥控控制系统，控制系统驱动伸缩杆调整拖物平台高度，可以使拖物平台落地后充当拖车功能，抬起后充当手臂拖物功能，增强了人的自由操控性和安全性，控制系统采用超级微锂电池和改装电机构成，整体的主体材料采用复合碳纤维和航空铝。

3  功能简介

该装置主要针对家电类箱式货物研发，穿戴人体上，可实现平地拖车、上楼扶持货物和遥控升降装卸货功能，有效提高工人的工作效率、安全性和自由性。产品展开状态示意图如图1。该装置主要由（1）电机系统;（2）穿戴系统;（3）升降系统;（4）拖物折叠系统组成。图2和图3分别为工作人员模拟平地工作和爬楼工作时的效果图，工作人员在平地搬运货物过程中，此助力装置可以充当拖车使用，在从平地过渡到爬楼过程时，可将物体背起，通过遥控系统调节伸缩杆长度来控制重物高度，节省了劳动力、提高了工作效率和安全性。

4  产品创新性

（1）多功能创新：综合考虑人在徒手运送货物过程中存在的困难，本产品实现平地拖车、上楼辅助和遥控升降装卸功能，提高了工人工作效率并节省体力消耗;

（2）技术创新：脱离了单纯的机械控制结构，引入了遥控控制系统，实现遥控器控制产品各项功能，增强了人的自由操控性;

（3）设计创新：利用物理力学分解原理，将货物重力分配到人的肩部、后背和腰部，防止身体的局部单一受力而导致受伤，符合人体结构学;

（4）材质创新：产品材料将采用航空铝和碳纤维复合材料，使产品最大轻量化，以达到便携的目的。

5  结语

从国内外助力装置的发展现状得出，针对老人、医疗和军事行业的助力装置已经比较成熟，但是很少有关于针对物流行业人工便携助力装置研发的相关报道。本项目研发从装置的内容、特点、功能和创新性进行介绍，在这个互联网购物飞速发展的社会，未来的快递行业对货物的配送将面临前所未有的压力，本项目的研发不仅具有极大的创新性，而且具有广阔的市场前景。

参考文献

[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] 孙建，余永，葛运建，等.基于接触力信息的可穿戴型下肢助力機器人传感系统研究[J].中国科学技术大学学报， 2008， 38（12）：1432-1438.

[4] 杨巍，张秀峰，杨灿军，等.基于人机5杆模型的下肢外骨骼系统设计[J].浙江大学学报（工学版），2014，48（3）：430-435.

[5] 高波.人工装卸搬运助力装置研究现状及关键技术[J].中国储运，2014（12）：144-147.