建筑外骨骼——建筑业的钢铁侠装

Original 友绿人友绿网 2022-06-01

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人体机械外骨骼是适用于机动关节的可穿戴设备，旨在通过提供举升支撑、重量分散、姿势矫正和其他功能来最大程度地减少局部关节受重和伤害。

人体机械外骨骼系统的研发始于20世纪60年代，最早应用于军事领域，旨在强化士兵的负荷能力，随后逐渐进入民用领域，多以医疗和工业生产为主要目的，作为帮助残障人士行走以及工人负荷执行制造、搬运任务的辅助工具。由于建筑工人是承重受力（尤其还有高空承重作业）工作以及因此受伤最多的人群之一，所以现在建筑行业也开始越来越多地运用这类设备，以提高工人的安全性和生产率。外骨骼的辅助范围从支撑工人的背部、腿部和手到支撑整个身体。

外骨骼的类型

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大多数机械外骨骼从身体的特定区域（如手臂和肩膀）吸收重量，然后将其重新分布到另一个部位（如腰部）以减轻劳损和疲劳。

部分或完全电动外骨骼通常比机械外骨骼更强大，并且可以承受更大的重量。它们可以瞄准更具体的区域（例如手），并在需要时增加压力和力量。

建筑外骨骼的好处

减少伤害和劳损：外骨骼更均匀地分配重量，并减轻身体不同部位的劳损。这可以减少建筑工人长期受伤的风险。实际上，日常活动（例如举起和搬运重物）是建筑中拉伤的主要原因。
提高生产率：使用建筑外骨骼的工人由于减轻脊柱的压力并减少疲劳和劳损，可以完成比平常所能承受的更多的工作。
创造就业机会：通常受年龄和身体能力限制的工人在佩戴外骨骼设备之后可以承受更艰苦的活动，这样一来，也可大大缓解劳动力短缺。

根据设备的支撑区域可分类为：

动力手套

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动力手套可戴在手周围，以提高手部一些部位的灵活性和力量，更轻松准确地使用一些工具和材料。比如搬运沉重的手动工具或捡起重物。

Bioservo的Ironhand是一款柔软的手套，可通过传感器检测用户的自然运动。手套会感应到用户何时要抓住物体，并会根据物体的重量增加力量。手套还收集数据以评估对使用者的人体工程学风险的情况。

手臂和肩膀支撑外骨骼

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这些设备为将重工具和物料抬高至腰部以上的工人提供支持。它们是钻孔、切割和打磨等高空作业的理想选择。它们支撑肩膀和手臂，以减轻长时间握持重型工具的压力。

Ekso Bionics的EksoVest在两臂上均使用弹簧为用户提供升力帮助，而Levitate Technologies的机身外骨骼则使用滑轮系统来完成此任务。SuitX的shoulder X使用弹簧支撑使用者。这些都是肩膀支撑外骨骼的好例子，因为它们重量轻，外形小巧且不妨碍活动。

背部支撑外骨骼

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背部支撑设备通常适合肩膀、背部和腰部，以减轻举起重物对背部造成的压力。某些背部支撑外骨骼还可以在弯曲或抬起时纠正姿势。

Strong Arm Tech的V22 ErgoSkeleton可以在用户背部不安全弯曲时向其提供反馈。suitX的backX设备的设计更加着重于减轻背部和脊柱的压力。

站立和蹲下支撑外骨骼

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这些设备锁定在适当的位置，以减轻膝盖和腿部的压力，并将重量分散到地面上。特别是站立或蹲伏需要持续一段时间的情况下，设备对减少关节和肌肉压力的效果更明显。还为用户必要时提供悬空“坐下”的功能。对于在工作时需要花费大量时间站立的建筑工人来说，这是一个很有用的功能。

Noonee的Chairless Chair 2.0和SuitX的legX两种都能识别用户何时走路、蹲下和站立，并进行相应的调整。

全身套装外骨骼

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全身式外骨骼装备为整个身体提供支撑，以最大程度地减少劳损，提高生产率并增强强度。

Sarcos计划提升最新的全身式电动外骨骼装备Guardian XO的性能。使其一次充电可以持续长达8个小时，并且只需400瓦的功率（比同类机器低90％）即可正常行走。用户还可以“热交换”电池，而不是直接损失掉前一个电源。

民用人体外骨骼的发展现状

美国在外骨骼的军用领域方面较为领先，俄罗斯、法国、德国等也在进行积极研发，而在民用领域，美国、日本、以色列、韩国等都具备较强的研发实力。在民用领域，外骨骼技术较为领先的企业有：

以色列ReWalk Robotics公司：其推出的“Rewalk”系统系列产品，能够靠电动外骨骼帮助用户完成走路、坐下、站立甚至爬楼梯等动作。

美国EKSO公司：创立于2005年，与美国特种部队有合作关系。于2012年一季度即上市两款医疗外机械骨骼。

日本Cyberdyne公司：其研发的产品混合辅助肢体（HAL）可以通过搜集人体表面的肌肉电信号对机器人传达行走的意志，从而帮助人行走。

美国suitX公司：与加州大学伯克利分校的机器人及人体工程学研究室有合作关系，于2016年研发推出轻量级可负重外骨骼系统suitX Phoenix，主要为脊髓病人服务，可以帮助移动障碍的人独立站立并且行走，电池续航约为8小时。suitX公司随后还推出MAX系统，主要帮助工人承受作业时的重负荷，已有码头、建筑工地、仓库、甚至飞机制造商波音公司成为其客户。

美国Parker Hannifin公司：生产的Indego型外骨骼设备帮助下肢受伤的患者预后恢复。

韩国现代集团：于2016年推出H-Mex原型机，并宣布进军外骨骼市场。该系统重约18公斤，可为丧失行走能力的患者（比如截瘫患者）提供站立和行走的能力。它的设计旨在让病人在无需他人帮助的情况下，能独立穿戴并使用。行走速度能达到2.5km/h，一次充电续航4小时。

我国人体外骨骼的发展现状

我国在外骨骼领域的起步较晚，但正在奋起直追，我国国家自然科学基金、863计划和科技支撑计划等都已经开始相应的研究。

浙江大学正在研究可穿戴式下肢辅助行走外骨骼机构、基于肌电信号控制的康复医疗下肢外骨骼、悬挂式下肢协助康复外骨骼、踝关节外骨骼原型系统等。

电子科技大学研制的基于电机驱动和液压驱动的助力型外骨骼系统能实现行走、转体、下蹲等动作，并通过多通道智能人机交互技术和分布式实时控制技术大幅提升样机性能的稳定和可靠性；

中科院也已研制出一种下肢外骨骼机器人，在单条机械腿上配置了6个自由度（机械髋关节3个，机械膝关节1个，机械踝关节1个，足底1个）。

其他，如清华大学、哈尔滨工业大学、海军航空院、陆军第二炮兵学院、中科院合肥智能研究所、东南大学、南京理工大学、上海大学、东南大学、中国科学技术大学等科研单位都已经涉入外骨骼技术的研究。

此外，一家名为上海尖叫智能科技的创业公司，也已于2016年深圳高交会上展示其第一代外骨骼量产机型S1（Scream One，尖叫1号）。

军用方面，兵器集团202研究所等也在积极研发中国国产单兵外骨骼系统，该机械外骨骼的额定背负负荷为35公斤，额定搬运负荷50公斤，额定平地步速4.5km/h，续航20km，适用于侦察、巡逻等行动任务。

参考

1.https://www.bigrentz.com/blog/construction-exoskeletons