1.1研究的目的

随着网络购物的繁荣，快递行业也成了一个热点型问题。面对海量包裹，快递人员的压力很大，物流端的战役依然在持续。虽然物流行业无人技术与自动化设备已经得到了新的突破与落地，但物流场景复杂和多样，在各环节中仍然有大量一线人员进行着繁重的操作工作。

在以往，仓储配送员工在工作中的某些环节，经常涉及到一些机械性、重复性且非常繁重的劳动，据了解，平均一名仓储工人至少一天需要弯腰3000次，如果是酒水饮料等商品一件重量大约在10-20kg左右，工人劳动强度很大，对于腰部的损伤很大。在进行智慧化转型的大背景下，在自动化技术越来越广泛应用的热潮中，想要通过设计一种腰部助力型外骨骼机器人来实现对物流工作人员腰部的损伤，使他们可以在如此繁重的工作中减少损伤。

1.2国内外的研究现状

1.2.1国外的研究现状

麻省理工学院的外骨骼助力机器人是最早期的助力行走外骨骼机器人。它通过下肢助力机构辅助人行走，它的研究虽然未成功，但是其对助力外骨骼的发展做出了一定的贡献。BLEEX是美国加州大学伯克利分校研制的下肢外骨骼机器人。它主要由2条助力机械腿和相应的背部支架构成，机械腿分别包含踝部、膝部、髋部3个关节，关节自由度的设计采用拟人化的思想，踝关节3个自由度，膝关节1个自由度，髋关节3个自由度，采用液压直线驱动代替人体肌肉的伸缩，实现关节的转动。在矢状面内髋部、膝部、部的自由度是主动自由度，加有相应的液压驱动器，分别实现髋关节、膝关节、踝关节的屈伸，而其他自由度则为随动自由度。2005年美国加州大学伯克利分校推出的外骨骼机器人ExoHiker，可以在负重75kg时行走速度达到0.9m/s，无负重情况下可以达到1.3m/s。ExoHiker的应用环境较BLEEX更广泛，甚至可以帮助人快速攀爬陡坡和楼梯。之后伯克利仿生科技公司成功研发出了eLEGS，专为轮椅残疾人定制的外骨骼机器人。美国密西根大学研制出了下肢矫形器为下肢运动神经损伤的患者提供康复训练。另外，以色列埃尔格医学技术公司研制了名为“Rewalk”的康复下肢外骨骼。韩国西江大学研制的下肢外骨骼是为了协助下肢患者以及老年人的行走。PAS是日本神奈川理工大学1991年研制的可穿戴助力外骨骼机器人。HAL是日本筑波大学于2002年研发的穿戴型外骨骼，如图1所示。该外骨骼机器人的设计初衷是帮助年迈者以及残疾人进行康复运动，正常行走。经过多年的发展，该产品已经发展到第5代产品HAL-5。该外骨骼机器人拟人化的上肢机械结构包覆在人体双臂外侧，可以增强人体上肢力量，辅助人手完成很多工作。HAL-5的总质量约为15kg，但是它的整个系统可以承受140～220kg的质量。HAL-5系统装备了传感器，通过检测肌电信号、压力信号以及关节角度信号，经过信息处理，完成整个外骨骼的控制。HAL-5将驱动装置、测量装置、动力装置等全部都集成在背包中，集成程度较高，使整个装备紧凑方便，更好地辅助了穿戴者的运动。洛克希德·马丁公司与加州大学伯克利分校联合研制出了全身外骨骼机器人HULC^[1-2]，如图2所示。

1.2.2国内研究现状

我国在助力外骨骼方面的研究起步较晚，大多处于基础研究阶段，离实际应用尚有一定距离。以中科院合肥物质科学研究院^[3]、上海大学^[4]、浙江大学^[5]、东南大学^[6]等为代表的科研机构，进行可穿戴外骨骼机器人的研究，基本都处于外骨骼机理研究阶段，只有部分研究机构制造出了实验样机^[7-11]。中科院和中国科学技术大学研制出了一种下肢外骨骼机器人，如图3所示。该外骨骼机器人在单条机械腿上配置了6个自由度，其中髋关节3个自由度，膝关节、踝关节、足底各配置1个自由度，它的主要驱动关节是髋关节、膝关节的屈/伸，左右腿共由4个电动机驱动。并且在机架上安装了多种传感器和编码器，为了感知机械腿的运动状态以及髋关节和膝关节的运动信息，研究人员设计将2个二维力传感器安装在人体下肢大小腿与每条机械腿的接触部位，3个一维力传感器安装在每只脚底部，同时在关节处安装有编码器。通过这些测量装置获取人体的运动信息，最 后采用伺服电动机进行驱动，辅助穿戴者运动。南京军区南京总医院博士后工作站研制了一款单兵外骨骼机器人。该套外骨骼装备可使穿戴者感到重物减少到原质量的1/2以上。这款机器人包括了2条机械腿及前后支架，安装在外骨骼腰部、膝盖和小腿等部位的传感器可以实时探测到人体的步态，通过微处理器发出命令，从而使电动机提供动能，放大人体的力量。中科院常州先进制造研究所在2014年研制的外骨骼机器人EXOP-1采用的都是电动机驱动方式。该外骨骼机器人在踝部、膝部、髋部都采用直线电动机驱动。 2014年11月4日，珠海航展上展出了我国最新研制的外骨骼机器人，如图4所示。这台装备从脚下的靴子开始，采用电动机驱动，以金属支架成类似人类腿部结构的连接，连接上部的金属支架有2条，其中一条上连接织物环套，再上则是一个类似登山包的腰封与背带系统，背带连接着一个塑料背架。

图 1 图 2