【人体外骨骼】| 汽车行业人机作业改善 无中生有，收获力量

看到外骨骼（exoskeleton）这个词，估计很多人脑海中都会浮现科幻电影的经典场景，比如国产科幻巅峰之作《流浪地球》，外骨骼的运用将人类的行动能力拓展到一个新水平。

图片来源：《流浪地球》

严格意义上讲，外骨骼并不算一个太新的概念，其早期雏形甚至可以追溯到蒸汽机时代，当时的人们就已经开始想象如何利用蒸汽动力辅助行走（下图左侧）。1890年的美国专利中，已经有人提出将机械结构装在人身上以增强人体跑步和跳跃能力 [1]。

1830年代英国画师Robert Seymour的手绘画《Walking By Steam》。图片来源于网络

外骨骼作为一种可穿戴设备，通过机械设备与肌肉骨骼系统协同工作，可以减少人体行走或跑步消耗的能量，增加人体的负重能力。同时外骨骼技术也是帮助残疾人群康复诊断、恢复行走，提升工人作业效率，以及提高军队负重的不二法宝。

目前，外骨骼设备主要有两种。主动式外骨骼，利用外加能源（电能）辅助行动，减少人体新陈代谢的能量损失；被动式外骨骼，自身无动力，一般使用弹性机制来帮助使用者的肌肉肌腱单元存储能量，并将能量用于帮助行走。也有研究者提出，可以将使用者步行或跑步时产生的部分能量存储起来，转化为电能，再在需要时辅助行动。业内评判外骨骼设备性能的一个指标称作“收集成本（cost of harvesting，COH）”，即使用者代谢功率的变化与设备产生的电能之比。遗憾的是，目前报道的设备COH值均为正值，意味着使用者必须付出额外的代谢成本以实现电能存储。

外骨骼设备分类。图片来源：Science

为什么这么难？原因在于人类的行走已经足够“优化”。漫长的进化，使得人类以节约能量、代谢成本尽量低的方式行走。2007年，有研究者通过对成年黑猩猩和人类的行走行为分析，发现两足行走的人类消耗的能量仅为四足行走的黑猩猩的1/4。这样看来，外骨骼设备在不增加代谢负担的情况下从人类行走中收获能量更像是一个“无中生有”的任务。

黑猩猩和人类行走力学的比较。图片来源：PNAS ^[2]

近日，加拿大女王大学Qingguo Li和Michael Shepertycky等研究者在Science 杂志上发表论文，报道了首个COH值为负值的外骨骼设备，不需要外加电源，可以从人自然行走步态中获取机械能并将其转化为电能，同时还可降低使用者代谢能量消耗。“无中生有”的关键在于帮助肌肉而非增加肌肉负担。人类行走过程中，在脚与地面接触之前，大腿后部肌肉会施力让摆动中的腿减速，作者针对这一环节巧妙设计外骨骼设备，与膝关节屈曲运动相结合，帮助大腿肌肉让腿“刹车”，降低人体代谢能量消耗的同时设备还能收获能量。

新型外骨骼设备示意图。图片来源：Science

人类的行走可以看成是一步一步前进的周期性循环过程，肌肉的离心收缩与向心收缩交替进行，这些肌肉做功的目的不都是为了前进。在每个行走周期的末期（也就是脚与地面接触之前的瞬间），大腿肌肉必须消耗能量来拉紧，让摆动中的腿停下，以防止因为收脚不住而向前冲出。这一过程类似“刹车”。不过，如果想要收集这一过程中的能量，减少人体代谢消耗，就必须对人体行走时的肌肉收缩进行精准的判断。

利用制动充电的外骨骼设备。图片来源：Science ^[3]

研究者设计的背包式外骨骼设备，重量仅为1.059公斤，主要由缆绳和旋转发电机组成。缆绳与佩戴者的小腿相连，然后向上延伸并连接到设备的输入滑轮。在每个行走周期中，当使用者的膝盖向前伸展做正功时，缆绳松开；而在脚落地前摆动的腿“刹车”瞬间，缆绳拉紧，来自发电机的阻力提供了一个轻微的制动力，帮助腿“刹车”，降低行走的代谢消耗，与此同时，缆绳带动发电机旋转将收集到的动能转化为少量电能。

外骨骼辅助行走，降低消耗能量并收集能量。图片来源：Science

研究者对10名健康男性志愿者进行了跑步机行走实验，对比了正常行走、穿戴传统能量收集类外骨骼以及穿戴本设备对代谢功率、生物力学的影响。在本外骨骼辅助下，肌肉降低代谢成本的同时步态参数几乎没有影响。

右腿膝关节运动力学与肌肉活动。图片来源：Science

统计结果表明，使用者在自然行走过程中，不但可以让设备提供0.25 ± 0.02 W的电能，还能同时降低2.5 ± 0.8%的代谢成本，实现了COH为负值的突破。

三种行走模式的代谢率对比。图片来源：Science

外骨骼设备的应用场景很多，例如病患康复、徒步搜救、户外探险或军事任务。未来，还可以集成生理传感系统和机器学习算法，以拓宽设备的应用空间。不可否认，作为概念验证性的工作，该文报道的这种外骨骼设备无论是获取能量还是降低使用者代谢消耗，影响都还比较小。但这种“无中生有”的策略，还是给外骨骼设备以及可穿戴设备的设计提供了新的思路。

海同工业系列装备帮助特斯拉实现工人健康与幸福劳动

今天，小编就带你了解汽车智能制造厂，看看特斯拉到底是如何实现人机关怀与高效率造车的？

汽车厂作为工业化大生产的巅峰代表，普通人都会觉得黑灯工厂，无人工厂就是代表最先进的自动化，但实际上怎么回事呢？

现代的智能制造的讲究柔性化制造，就是既要考虑大批量生产的高效，又要兼顾满足多品种按需生产的订单模式，因此在特斯拉，用户在APP上下单，直接线上导入生产制造体系，每个用户可以根据自己的喜好选择订车的配置，这对生产线的柔性适配能力提出了更高的要求，为了满足火爆的订单，特斯拉对上海超级工厂（一期）第二阶段的产线进行 “优化”，对冲压、车身、涂装以及总装等车间进行产线改造以提升产量。改造的方式是增加工作时长、员工数量、提升物料周转频次。特斯拉内部人士表示，特斯拉将对线体进行拉长，增加工位等，员工总数增加了4000人，达到19000人。

上图：上海特斯拉员工操作海同工业AMB设备

因此特斯拉和其他车厂一样，除了需要高度自动化的流水线，更需要有满足和保障19000员工健康与安全劳动的生产设备，能让生产操作者用起来舒适，方便的设备，来搬运装配车身各个部件，同时可以配合现场45秒下线一台新车节拍，找到产线得以柔性生产提高生产效率的关键。其中，最具代表性的就是助力特斯拉实现柔性制造的AMB人机交互轻劳化移载装配助力系统解决方案：

在汽车装配过程中，为了减轻装配工人的劳动强度，提高装配质量，会大量使用助力类的机械手设备，从而能够轻松实现大质量零部件的搬运及定位紧固。随着国内人口红利的消失，人工成本越来越高，同时，为了保证安装一致性，汽车装配生产线对助力机械手自动化程度要求也越来越高。根据总装生产线装配工艺流程，前内饰线通常有拆车门助力机械手、天窗抓取助力机械手、天窗安装助力机械手及仪表安装助力机械手等；底盘线通常有前端模块安装助力机械手、燃油箱安装助力机械手、蓄电池安装助力机械手及消声器安装助力机械手等；后内饰线通常有后座椅安装助力机械手、前座椅安装助力机械手、轮胎安装助力机械手及备胎安装助力机械手等等，对于自动安装助力机械手，还要匹配生产线加装随行控制，通过PLC运算把速度控制信号传给变频器，改变行走驱动电动机M2的频率，从而改变电动机输出转速来配合生产线流转装配。

应用于美国加州弗里蒙特特斯拉工厂的海同工业AMB人机交互助力设备

海同工业的AMB助力机械和EXO外骨骼

人机助力外骨骼

同时，在搬运或操作30Kg工件的人体极限体力劳动场景中，可配合海同工业EXO穿戴式无源型外骨骼为汽车厂乃至各行业产业工人提供“贴身劳动保护”的穿戴式职业健康系列产品。适用于需要频繁、长时间以固定动作，在重复性劳动的场合作业的产业工人提供劳动保护和助力。EXO外骨骼作为可用于降低与工作有关的肌肉骨骼疾病的风险的装置，广泛应用于各行业领域，降低关节及腰痛发生率，给人体增加机械力量。

海同EXO助力外骨骼基于人因工效学,从WMSDs（Work-related Musculoskeletal Disorders工作有关的肌肉骨骼疾病）的工效学危害因素及其危险源出发，解决工作人员因身体关节高强度作业、过度重复用力、以不舒服的姿势保持以及长时间负荷接触导致WMSDs的问题从而有效的减少工作人员患WMSDs的风险。下面我们来介绍几种在汽车厂常用的三款EXO外骨骼：

1、EXO金属背、壮手腰部·手部助力搬运型外骨骼

图：EXO金属背外骨骼

EXO金属背、壮手主要运用于频繁弯腰，或长时间弯腰的作业工种，可以将人体弯腰时的上身重力势能存储于蓄能盒，并在人体需要直立时释放能量，降低背部竖脊肌的收缩力，从而降低腰椎劳损，减少腰痛机率，提高工作效率。

EXO- Strong Hands壮手外骨骼在腰部外骨骼的基础上增加了两个手臂辅助带，为腰部弯曲运动提供提升支撑的同时，为手臂承载负载提供支撑。

2、EXO泰坦臂上肢助力外骨骼

图：EXO泰坦臂外骨骼

在汽车装配线、高铁装配检修线等现场，经常需要手持工具，长期反复的握举、放下工具，长时间的作业容易造成手臂酸痛、肩关节损伤等，从而影响工人的身体健康，影响工作效率。

EXO泰坦臂上肢助力外骨骼可有效地解决手臂因长时间保持抬举而引起肌肉紧张不适的问题，通过背部支撑架的弹簧拉伸作用，提供给手臂保持在安装位置的弹力，从而减小手臂肌肉的负荷。该产品适用于组装作业，精确安装作业、危险作业以及要求工作人员长时间保持手臂抬举以保障作业精度的场景。适用于双手长时间保持抬举起10kg以内的小型工具助力大小可以还通过扳手快速调节。

3、EXO随意坐腿部助力外骨骼

图：EXO随意坐外骨骼

在各行各业中，大多数工人需要长时间保持站立姿势工作，例如汽车修理工每天需要在汽车底盘下站或蹲长达6小时，焊接工每天需要连续站立焊接8个小时等，长时间站立会使工作者产生肌肉疲劳而降低生产效率。

随意坐外骨骼是一款能够减缓工人疲劳的灵巧装备，其采用轻量化材料，具备传统座椅没有的轻便性。借助外骨骼座椅，工人在紧凑的工厂空间中也能随时坐下，保存体力，提高工作效率。

海同工业AMB人机交互智能助力装备系统应用于物料移载、高频率搬运、精确定位、部件装配等场合；可极大减轻工人的劳动强度，提高生产效率、保障产品质量，人机交互智能助力装备系统的应用符合现代化工厂柔性制造的趋势，提升生产线附加值，是现代工业的重要组成部分，配合海同工业自主开发的MES物料规划调度系统，通过对生产现场产线的科学改造和设备升级，对比改造前产能，可实现产能提升150%。

产线工人通过穿上EXO可穿戴无源型外骨骼，以及配合AMB人机交互助力动力系统，帮助企业减少因人员频繁换岗、职业病发病以及因工作强度过大造成工作幸福感较低造成的生产效率降低的问题，真正实现汽车生产线工人的轻劳化健康与幸福劳动。

参考文献：

[1] YAGN N. APPARATUS FOR FACILITATING WALKING. Google Patents. 1890.

[2] M. D. Sockol, et al. Chimpanzee locomotor energetics and the origin of human bipedalism. PNAS, 2007, 104, 12265-12269. DOI: 10.1073/pnas.0703267104

[3] R. Riemer. Extracting electricity with exosuit braking. Science, 2021, 372, 909-911. DOI: 10.1126/science.abh4007

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