59、工业用被动辅助外骨骼的设计与应用

工业用被动辅助外骨骼的设计与应用

1. 引言

外骨骼是一种能在日常工作和康复中支撑人体、增强人体力量的机器，在工业领域有诸多用途。一些手持电动工具，如研磨机、电动切割机和锯子等，重量较大，长时间使用困难，操作人员常因工具重量而受伤。

外骨骼可分为主动外骨骼和被动外骨骼。主动外骨骼使用执行器、电机、传感器等为肢体提供运动，设计时需要电池或外部电源；被动外骨骼则不使用外部电源，可利用弹簧等机械储能元件，通过伸缩储存能量，用于抵消负载重量。

目前，协作机器人工业领域是外骨骼增长最快的市场，它能减少人体工程学问题、肌肉骨骼损伤和疲劳，这些问题在建筑工地、工厂、干船坞和仓库的工人及企业中较为常见，若不解决，会影响工人的整体生产力。市场上的外骨骼设计多样，有些价格昂贵，有些效果不佳。本次研究旨在设计一款辅助被动上肢外骨骼，使其价格低廉、效果显著且便于工业工人佩戴。

在设计外骨骼时，需考虑以下因素：
- 外骨骼必须将所有重量承载在腰部。
- 至少能佩戴在一只手臂上。
- 要轻便且易于制造。
- 必须能支撑至少 10 公斤的负载。
- 设计应提供足够的自由度，使手臂能向各个方向移动。
- 设计应易于组装，且对用户使用安全。

2. 文献综述

相关研究虽已取得进展，开发了多种为身体部位提供支撑的机制，用于国防、医疗和工业等领域，但在印度，简化设计、降低成本和提高工人效率的具体尝试较少。

研究表明，使用合适的外骨骼可大幅降低受伤风险，提高任务效率和生产力。例如，简单的手动搬运任务可能导致下背部疾病（LBD），而使用合适的外骨骼可使肌肉活动减少 35 - 38%