敏捷型无动力人体外骨骼在飞机装配中的探索与应用

陈勇刚，王 军，王道昌

（中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安710089）

虽然使用一些自动化辅助装备，即“机器代人”可以解决部分问题，然而对于飞机装配中许多劳动密集工艺无法使用机器替代。因此，有必要探索一种将人体的智能性、灵活性与机械系统的出力大、耐疲劳的特性相结合的方法。

穿戴式外骨骼系统是一种可穿戴在人体身上并受穿戴者肢体运动直接控制的人机融合系统。通过感知操作者的肢体姿态和动作意图与人体同步运动，负载力能从外骨骼中传递，从而使劳动者轻松地完成精细化作业，即实现“机器助人”。

先进性：彻底突破了传统自动化设备的工作模式，采用体感式操作，无需专门培训，灵活机动，通用性强。

技术基础：串联机构设计技术、微传感器技术、运动学及动力学分析仿真与分析技术、人机工程学、工程材料学等技术。

1 飞机的装配

与一般机械产品不同，飞机装配是整个飞机制造过程的龙头，一般占到飞机生产周期的50%～70%，对整个飞机的质量有至关重要的作用，是飞机制造的最重要环节之一。

飞机装配是将各零件或组合件按产品技术要求相互准确定位，并用规定的连接方法装配成部件或产品的过程。受结构特点和结构刚性等因素影响，在飞机装配中大量采用铆接和螺接等连接手段，同时为了保证装配协调及外形准确度要求，并保证装配过程中组件、部件具有一定的结构刚度，飞机装配中采用了大量的结构复杂、准确度高的装配型架。

经过近30年的研究和发展，欧美等发达国家在飞机自动化装配技术方面已日趋成熟。飞机自动化装配技术涉及数控柔性定位技术、数控制孔技术、数字化测量技术和计算机软件等众多先进技术和装备，是机械、电子、控制、计算机等多学科交叉融合的高新技术。

1) 根据下级指标Ai，将上级指标A的决策数据集成为(a1,a2,…,ai,…,an)，将数据按由大到小重新排列，得到新数列B=(b1,b2,…,bj,…,bn).

我国飞机自动化装配技术的应用经过20多年的发展已经从组件装配拓宽到复杂的部件装配以及大部件对接过程中，并对飞机自动化总装配中关键技术进行了攻关，但亟待在自动化总装配生产线方面实现整体突破，打造完整的飞机自动化装配生产线。

不同一般工业，飞机的制造和装配，不可能也没有办法完全自动化。包括国外的波音、空客等最先进的飞机制造公司，还是需要大量的人工进行组装和装配。更不要说，像飞机发动机等基本上不可能采用自动化的设备或者机器人进行人工替代。

随着这些年我国航空领域的蓬勃发展，飞机生产任务日益繁重。工人的劳动强度不断加大，飞机装配工人职业病频发，延长工人的技术寿命尤其重要。根据美国劳工部给出的数据，在工人中，背部、膝盖、肩部和胳膊的损伤被列为最常见的工伤。这些文献都可以在网上找到，比如工人们的收入支出有近160亿美元都花费在治疗背部损伤上。这些疾病发病率非常高，给企业带来了很大的负担，也给工人的生活带来了痛苦。

结合国内几家飞机主机厂的生产实际，工人们都是透支自己的身体努力工作。背部、膝盖、肩部和胳膊的损伤和疲劳日益严重。如果他们持续这样的工作状态，年纪大了之后，可能就会变成残疾人，丧失部分或全部生活自理能力了。

飞机机械装配连接技术主要分为铆接和螺接两种，是目前飞机主要的装配连接方式。

图1所示为装配车间非常常见的工况：工人需要举起双臂进行作业。

图1

从这个作业的受力分析看，工人除了正常作业所需的拧螺丝或者钻孔、铆接等力气外，他们还需承受工具等重量。工人持续这种工作姿态3-5分钟就已经非常疲劳了。工人们的工作量非常大，每天都要进行这样的重复性劳动。这样重复性的动作使得肱二头肌、肱三头肌和三角肌等部位受力很大，肱骨的劳损严重，图2所示。

图2

类似这个工况，在飞机的装配，特别是大飞机的机身装配，这种工作姿态/姿势更加频繁。

国家提出“中国制造2025”，产业升级改造是制造型企业亟待解决的问题，“机器代人，机器助人”成为提高生产效率、降低人力成本的有效途径。可穿戴外骨骼的研究开发及在飞机装配中的使用显得特别有意义。

2 可穿戴外骨骼

可穿戴外骨骼，或者助力外骨骼，在国外发展比较早。1963年，美国陆军武器研究者谢尔盖·扎鲁德尼发表了一份报告，描述他设计的可穿戴机器外衣，它将使穿着者获得“绿巨人”式的力量，但是当时还不存在实现这个构想的技术。除了少数非军事设计外，真正超能外衣的前景渺茫。直到2000年，Darpa开始为期7年投资7500万美元的机械外骨骼研究计划。那时，少数机械外骨骼支持者认为，包括美国陆军上校杰克·奥布瑟克，技术终于追赶上构想。从1995年起，奥布瑟克就协助推进外骨骼研究。他认为，随着感应器日益变得更小，功能更全面，处理器速度加快，他和其他支持者有理由相信机械外骨骼有可能成为现实。

比较典型的有美国伯克利大学研发的BLEEX，通过外骨骼机构将背负的载荷力传递到地面，主要用于提高士兵越野负重能力。日本筑波大学研制出了世界上第一套商业外骨骼助力机器人（HAL），一次充电工作时间可达到近2小时40分钟，主要用于助力搬运领域。在医疗领域典型的有以色列Rewalk公司开发的助残机器人，主要用于高位截瘫病人辅助行走。

国内外骨骼机器人技术的研究工作相对滞后。目前，研究比较成功的单位是海军航空工程学院，该学院在2006年就设计完成了第一代面向军事应用的骨骼服样机，命名为NES-1，目前已推出第三代样机，初步具备野外负重运动能力。

对于装配生产线上使用的助力外骨骼，目前国内外研发的不多。主要有美国的公司开发的一系列无动力外骨骼模块，分为肩部模块、背部模块、腿部模块。通过弹性关节装置对各个关节提供助力支撑。还有洛克马丁公司开发的全身型的无动力外骨骼系统Fortis，目前主要运用于军舰生产领域。

国内的飞机主机厂在2017年左右开始关注可穿戴外骨骼的应用，特别是在机身装配生产线上。经过多年的调查和结合自身的生产实际，分析了飞机装配工艺中操作者的操作姿态：（1）梳理飞机装配生产工艺，根据工艺特点规划操作者作业姿态；（2）根据操作者作业姿态确定需要助力的关节部位；（3）针对不同的作业姿态规划相应的外骨骼模块配置方案。

生产线工人们反馈最多的容易疲劳和工作强度最大的部位在肩臂部位、腿膝部和腰背部。经过几年的调研发现，如某钻孔工位，工人需要经常弯腰，多年的工作导致腰椎劳损甚至腰椎盘突出等问题，如图3所示。针对腰背部的外骨骼能有效减少背椎压缩力，如图4所示。

图3 L5/S1椎间盘部位

图4 腰背部的外骨骼能减少脊椎压缩力60%

收集相关的实际操作工位数据后，进行分析和设计：

（1）分析手臂在抬举作业过程中肩关节的力学特性。

（2）根据肩关节的力学特性设计一款弹性关节装置，用于在向下抬放时储存人体重力势能，在向上升举时释放出机械能。在能量的存储和释放过程中实现肩关节负载的有效平衡，进而缓解肩周肌肉的疲劳。

（3）开发肩关节外骨骼模块的穿戴系统，符合中国人的体格特点，能灵活调节穿戴尺寸。人机接触部位的设置符合力传递规律，贴合面材质柔软、易排汗、通透性好，长期佩带不会对人体皮肤或者组织产生伤害。

（4）开发一套精巧的髋部外骨骼模块的具体结构，材质轻、强度大、运动可靠性高。

后续，我们再根据不同工位和不同工人们的反馈，收集使用过程中的问题点进行持续的改进，期望工人通过使用可穿戴外骨骼，可以减少操作中的疲劳感和职业病的发病率，提高工作质量，延长技术寿命，特别是某些关键的工位。

另外，我们将根据人体工程学设计，往体积小、重量轻、穿戴更方便、价格更便宜等方向进行改进，从而给工人提供最大的舒适性。