揭秘首个用于工业的外骨骼

生产工人经常一天需要提起总重达10公斤的各种物体。据工作基金会联盟（Work Foundation Alliance）的统计，欧盟有四千四百万工人患有因工作引发的肌肉骨骼疾病。最近，欧盟Robo-Mate项目的研究人员开发出一种外骨骼，它能够使工人在抬举时只需负荷实物十分之一的重量。6月12日，该项目合作伙伴在斯图加特的Fraunhofer IAO中展示了首个样品。

不费吹灰之力，一个工人就能举起一辆旧车的一个座椅。在更灵活的操作中，工人还可以抓起15公斤座椅，然后把它从支撑架上抬出，搬运到其它拆卸座椅安放的位置。这些快速敏捷的动作可以由一个外骨骼完成，外骨骼是一种可以有效协助工人动作的外部支架。这是现实还是科幻？

生产和组装工作有很多仍然还需要人类来完成的体能活动。它们应用在小规模制造和原型机生产中，因为每块部件的装配都是个性化，从而没有特定编程的机器人来 完成这些任务。当然，体能活动适用于所有种类工作，无论是对机器人太复杂的操作，还是无法实现标准化的生产，或仅仅需要人灵活性的任务中。例如汽车拆卸： 由于每个二手汽车的分解都不同，拆开每个车辆部件（如座椅或电池）的方式都是独特的。这些任务使得工人感到负担很重，特别是当他们连续要干八个小时的时 候。从事生产和拆卸任务的工人经常一天抬举和搬运数吨物体。脊椎受损和长期健康问题都是不可避免的后果。不仅工人自身受害，也增加了医疗系统的高额成本。 此外，工厂雇主也面临劳动力缺失的难题，比如员工生病、提早退休和很难招聘合适员工。

为维持欧洲制造基地的地位和稳定就业岗位，欧盟设定了自己的目标。设定的目标中，创造人性化的生产环境是十分必要的，这将减少工人病假的天数并确保熟练工人保持健康和能够长时间工作。

除了保护工人的背和支撑他们的姿势，Robo-Mate外骨骼还帮助他们抬重物。借由电机和传感器，它减少了有效负载，工人只要承受实际负载的一小部分，同时也能防止姿势受损。

虽然大多数人将来会在科幻小说和超级英雄电影中看到外骨骼，但实际这项技术已应用于两个领域：军事和医疗康复。不过，至今为止还未研发出应用于制造业的外骨 骼。这正是欧盟Robo-Mate项目合作伙伴的目标。自2013年底，来自欧洲7个国家共12所研究机构和公司一直在共同合作开发一种辅助生产工人的帮 手。

如今，首个Robo-Mate样品出炉，6月12日在斯图加特的Fraunhofer IAO中被展示。“我们的外骨骼样品是由臂模块、躯干模块和腿模块组成，” Wernher van de Venn教授说，他是Robo-Mate项目的合伙人，也是瑞士苏黎世大学Mechatronic Systems学院的负责人。

● 臂模块：臂模块附在上下臂。它们能有效协助工人提重物：通过电机，当工人举起一个物体时，身体所承受的负荷只有实际物体的十分之一。“当工人在外骨骼的帮 助下举起一个15千克重的汽车座椅感觉就像只有1.5千克，” Carmen Constantinescu教授说，他在 Fraunhofer IAO中负责这个项目。

● 躯干模块：该模块模型的设计主要是为了稳定和保护背部以及脊柱。当工人在执行提升和弯腰任务的时候，它可以帮助工人保持躯干笔直，从而保护脊椎扭曲和滑移。

● 腿模块：外骨骼通过两个模块来支撑腿部，从主干模块稳定内侧腿。当工人执行下蹲任务的时候，大腿需要承受巨大压力，腿模块会绷紧形成了一种座椅，从而使工人不用负担任何额外的力量。

为了找出装配和拆卸的具体问题以及外骨骼需要如何操作，Fraunhofer IAO的科学家用软件来模拟项目中各类型应用的工作操作。他们认真考虑了运动的次序以及哪种力作用在身体和如何完成。关键步骤就是识别哪里作用在身体的压 力最强。接下来，Constantinescu和他的研究团队用外骨骼仿真相应工作操作，这意味着他们可以精准定位在什么操作中外骨骼是有用的工具和排除 它不适合的操作。“在此之前，没有人成功将人与周围的外骨骼纳为同一个单元，”Constantinescu说，他描述了这项任务的特别挑战之处。而恰巧 她们所做的正是为了研发骨骼和评估使用案例。

正式用于欧洲工厂之前，Robo-Mate外骨骼仍然还需要大量的研究工作。首 要任务就是确定外骨骼和其使用者以及环境的安全。为了确保这一点，合作项目中的安全专家们正致力于一系列安全需求的研究。其次需要面对的事实是：“这种支 撑协助方式能够成功的唯一途径是工人们自己愿意接受这项技术，”Michie de Looze教授说，他是荷兰国家应用科学研究院TNO人机交互的合作伙伴。当把这项技术引入整个项目之时，需要确定将生产工人带入的方式。此外，外观设计 也是一个问题：“样品目前着重功能性，其外观还不够美化，你会看到成品里面所有的元件和布线，这可能会吓坏人们，” Wernher van der Venn说，他是Robo-Mate项目的协调员和苏黎世大学教授。因此，设计师正在开发外壳，让工人看上去就觉得它十分实用。“我们并不是在制造超级英 雄，只是想开发一个设备，能够协助生产工人每天的日常工作并确保他们的健康，”来自爱尔兰Limerick大学人体工程学和产品设计领域的专家Dr. Leonard O`Sullivan说。