在汽車制造領域的一線相關作業人員，經常需要重復搬運重物或長時間維持不符合人體工學的姿態進行裝配作業，長期以來會導致腰部、背部等部位患有職業傷害。而外骨骼機器人的誕生在很大程度上改變了這種情況，不僅有效預防及減少職業傷害，同時還提高了生產效率。
外骨骼機器人在汽車領域的應用
近年來,外骨骼機器人發展迅速,在汽車制造領域，國外汽車主機廠機械外骨骼的應用比較廣泛。工人們會穿戴上機械外骨骼，在使用機械外骨骼的過程中，外骨骼能夠限制工人身上特定部位的壓力，以此來保護工人，防止工人受傷并且減輕疲勞。
1.上肢外骨骼機械
（1）動態站立式作業
對于長時間站立作業，例如從事汽車零部件物流分揀、沖壓和焊裝工位間零部件搬運、裝配等作業的人群，作業人員在不斷彎曲與直立兩種狀態中頻繁進行切換，如果將外骨骼機器人引入此類作業中，員工穿戴上肢外骨骼可以有效降低作業人員腹部、脊椎和頸椎等部位的勞損度。
上肢外骨骼的設計重點部位設置在腹部與髖部的結合處，背部支撐桿貼合人體，其形狀與背部具有相似弧度，將髖關節與腹部結合點設計為3個自由度，以滿足作業人員6個方向的運動。由于助力部位為腰部及背部，外骨骼只需上半身穿戴即可。
（2）靜態站立式作業
通常用于長時間需要托舉工具來完成作業的人群。例如汽車總裝、焊裝車間車身底部零部件裝配、打磨和補焊等作業，作業人員上肢需要托舉工具長時間保持作業姿態。外骨骼機器人將作用于人體的壓力轉移至地面，其造型需貼合人體背部曲線，提高長時間靜態作業舒適度，從而有效防止頭頂作業造成的肩部損傷，幫助工人分擔重量來緩解工人的肩部壓力。
2.下肢外骨骼機械
通常用于汽車裝配流水線長時間保持半蹲姿態裝配、搬運等作業人員。通過設置一個坐墊作為人體對外骨骼施壓的緩沖區域，在外骨骼的膝關節處設置限位，作業人員下蹲到一定角度時，將大腿和小腿部位的轉軸卡死，從而產生一個向上的支撐力。膝關節處的阻尼裝置為穿戴者下蹲時提供適當速度的外力支持，降低作業者長時間下蹲對膝蓋的損傷。
機械外骨骼的設計
1.工作原理
機械外骨骼原理就是用高功率密度的驅動裝置，非剛性連接套裝在人體外，輔助人類肢體運動，這是一種柔性、智能的驅動系統。
力學傳動原理與汽車的助力轉向系統有相通的部分。載貨汽車最早使用液壓助力轉向系統，現在也有液壓與機電混合，或者單純電動的助力轉向系統。通俗地說，就是原來用100N·m的轉矩轉動汽車的轉向盤，有了助力裝置，將可能用10N·m的轉矩就可以轉動汽車的轉向盤。
外骨骼全身布置了傳感器，利用安裝在各部位的傳感器獲取各項數據，并傳遞到中央控制處理器，經過計算來調整外骨骼的動作，最后，通過驅動裝置完成一系列動作，如圖所示。
圖 外骨骼工作原理
2.控制技術
外骨骼機器人的控制模型可以分為感知層、控制層和決策層。控制系統需要確保外骨骼能快速準確地響應人體的各種動作，還要考慮外骨骼與不同穿戴者之間的默契，以適應不同人群的運動特點。
（1）感知層
人體感知和外骨骼系統上的傳感器通常用于采集外骨骼機器人系統的多個信息。通過信息融合技術將其融合后輸入決策層。再由控制系統從感知層獲取信息，包括人體生理信號、人體接觸信息、外骨骼運動狀態信號。
（2）控制層
分析處理感知層傳送的信息，確認控制策略，控制協調人機系統。
（3）決策層
決策結果通過人機耦合接口傳入執行層，由執行機構完成外骨骼機器人系統的運轉。
3.機械結構
首先，通過研究人體的運動機理，選擇合適的自由度，從生物解剖學的角度出發，對外骨骼結構各個關節運動副的優化、主運動自由度分配等。不僅在運動形式上需要保持一致,而且在運動自由度分布上也要保持一致,確保穿戴者與外骨骼運動的一致性、穿著舒適、操作靈活，達到人機一體的效果。
（1）自由度分配
外骨骼各關節部位自由度越大，其靈活程度越大。人體上肢的高適應性和柔韌性，各關節結構及運動較為復雜。上臂通過肩關節連接軀干，前臂通過手肘關節連接上臂。肩關節設置2個自由度，手肘關節設置2個自由度，腕關節設置1個自由度。
人體行走過程中，下肢運動主要是在矢狀面內產生，身體其他部位運動都是用來保持人體平衡的。髖關節主要實現下肢的屈/伸運動，為了穿戴舒適性，髖關節設置2個自由度；膝關節是人體結構中較為復雜的關節，在矢狀面內做屈/伸運動，故設置1個自由度；踝關節為主要運動軸，繞額狀面做背屈趾/屈運動，設置1個自由度。
（2）材料選擇
目前常用材料有鋁合金、鈦合金、碳纖維、陶瓷等材料。外骨骼機器人除了成本和工藝外還要考慮以下幾方面：高強度材料的機器人不僅可以滿足其使用過程中強度要求，減少零部件截面積尺寸；外骨骼機器人為穿戴式結構，輕量化材料的選擇不僅可以提高穿戴舒適性，減輕穿戴者的負擔，還可以節約機器人能源消耗；采用較大阻尼材料或增強阻尼，提高定位精度，以及手臂、下肢等在終止構件運動后能平穩停止，不會給人體造成身體損傷。
（3）安全限位
工作時外骨骼機器人與穿戴者直接捆綁接觸，結構的設計要符合安全要求，考慮人體關節所能達到的最大轉動角度。外骨骼的關節轉動角度過大會造成穿戴者關節損傷和人體受傷等危險，因此，設計限位裝置防止在控制系統出錯或預期運動判斷錯誤。
（4）承載能力
由于人體的負重大多是通過外骨骼機械結構傳遞至地面，接觸位置應選擇人體承壓能力較好的區域，以及不影響關節運動的區域。通過采用小質量/慣量運動零件、柔性關節、安全限位等設計,減少意外碰撞過程中外骨骼對人的沖擊力。
驅動系統
機械外骨骼的動力驅動系統應當非自鎖，就是人通過強制扭動就能對抗助力系統的驅動，從而避免助力系統非正常驅動而造成被驅動人體骨折。對于助力系統，意味著可以將人的姿態“定格”下來。
目前應用在外骨骼機器人上的驅動方式主要包括電動機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及人工肌肉驅動等。
1.電機驅動方式
外骨骼機器人電動機驅動方式有兩種：一種是在關節部位上直接安裝盤式電動機，利用電動機帶動關節轉動。優點是結構簡單，易維護；缺點是受到電動機尺寸的限制，旋轉關節十分笨重。另一種是利用電動推桿驅動，將電動機旋轉運動轉化為直線運動，推動關節轉動。電動推桿一般由電動機和滾珠絲桿組成，電動機通常為直流電動機，電動機轉動帶動絲桿的螺母旋轉，從而使絲桿帶動外骨骼機器人手臂、腿、足部分別繞髖關節、膝關節和踝關節等做旋轉運動。
2.液壓驅動方式
液壓驅動是以液體（液壓油）為工作介質進行能量傳遞的一種傳動方式，包括動力裝置、控制裝置、執行裝置、輔助裝置和工作介質五部分。通過外骨骼傳感系統將人體相關信息實時采集傳至計算機，計算機控制算法生成控制量傳至伺服閥，動力裝置液壓泵將液壓能通過控制裝置傳遞給執行裝置液壓缸，液壓缸將液壓能轉化為機械能推動活塞桿做直線運動，根據伺服閥的開口大小調節來控制執行裝置液壓缸活塞桿的位置及速度，推動各關節轉化為轉動運動。其優點是結構緊湊、體積小且推動力大，因液壓油具有不可壓縮性，其動態響應快。
3.氣壓驅動方式
氣壓驅動是以空氣為工作介質進行能量傳遞的一種傳動方式，其原理與液壓驅動相似，其優點為無污染、反應速度快等。不足之處是氣體可壓縮特性，其推力小，運動穩定性和精確性較差。
4.人工肌肉驅動方式
人工肌肉是指一種沒有肌肉功能只有表面裝飾作用的合成材料，用于整形修補，具有一定肌肉伸縮功能的由硅橡膠和滌綸制成的，體積小巧、柔軟、重量輕、工作簡單且容易控制的仿生學的產品。采用人工肌肉的驅動方式充分利用擬人化的設計思想，自身材料的可伸展性，不需要像其他驅動方式那樣考慮到是否會過行程，因此比較安全。
外骨骼機器人每個轉動關節都有兩個人工肌肉來回收縮，使關節轉動，從而使外骨骼機器人實現運動。人工肌肉具有較好的柔韌性，不會給穿戴者造成傷害，輸出力較大，能量轉換效率高。
傳感器
外骨骼機器人系統中，人是控制中心，外骨骼控制器利用置于人體和外骨骼機器人上的壓力傳感器、力矩傳感器、肌電傳感器、加速度傳感器和編碼器等監測元件，實時精確獲取穿戴者的姿態、速度、加速度和受力等信息。通過對人體一系列的信息感知測量，處理器將對比這些信息，從而分析、計算出各個關節運動所需力矩大小，控制相應部位的驅動模塊工作。同時控制器對人體和外骨骼的運動狀況進行比較分析，形成反饋量，從而確保外骨骼能快速精確地響應人體動作。
目前，獲得人類意圖有兩種方式。
1.直接獲取
其中，直接獲取操作者意圖可以從EMG數據、人和機器人之間的交互力中獲得。目前直接獲取操作者意圖的傳感器還不夠成熟，如EMG的數據噪聲、建模和校準的難度都很大；間接獲取的方法是從外骨骼關節獲取數據、估計操作者意圖然后放大運動效果。
2.間接獲取
目前絕大部分外骨骼都是間接獲取操作者意圖，其方法主要是通過外骨骼硬件檢測信號來估計人類意圖。這種方法也有一定問題，目前比較嚴重的就是無法區分操作者的力和外力，這樣的話外界的力也會使得外骨骼機器人判斷出錯，有可能導致外骨骼機器人不穩定或者失控。
結語
目前，國內外大部分外骨骼機器人還處于試驗測試階段，尤其國內汽車主機廠，外骨骼機器人應用十分稀缺，需要加強外骨骼機器人在傳感器、驅動方式、材料和能源等方面的不斷創新，增強汽車制造業體力勞動者能力，提升外骨骼機器人的柔性化程度及智能化程度，從而保證外骨骼機器人更好地為人類服務。
