可穿戴式上肢助力外骨骼结构设计

　　这套上肢外骨骼的结构设计，最初是针对重载作业场景下的上肢负荷缓释需求展开的，在航空航天总装车间里，操作人员经常需要保持抬臂姿态完成舱内线缆布设、紧固件拧接作业，单次作业时长往往超过四十分钟，传统的防护护具仅能起到碰撞防护作用，无法抵消手臂持重带来的肌肉负荷，而这套结构通过绑定端与人体大臂、小臂的贴合固定，将上肢承受的载荷通过刚性支撑结构传导至腰腹承力区域，大幅降低三角肌、肱二头肌的持续发力强度。从结构布局来看，整体采用单侧悬臂式支撑架构，大臂段设置了两个环形绑带固定位，绑带与刚性支撑臂之间预留了3-5mm的浮动间隙，避免作业过程中肢体活动与刚性结构产生卡滞，小臂末端集成了两个驱动模组安装位，可根据作业需求换装不同扭矩的驱动单元，

　　当应用在海洋作业场景时，驱动单元可替换为防水密封型结构，适配高湿高盐雾的甲板作业环境，支持操作人员在持重15kg以内的装备时完成精准操作，不会因为海浪带来的船体晃动额外增加上肢控制难度。设计过程中优先考虑了穿戴的适配性，支撑臂的弧度经过人体工学拟合，对应人体上肢自然下垂时的骨骼曲线，当手臂做抬升、内旋、外展动作时，支撑结构的铰接点转动中心与人体肩关节、肘关节的转动中心保持同轴度偏差不超过2mm，避免长时间穿戴带来的肢体牵拉不适感。安装边界方面，整套结构与人体接触的绑带采用可调节设计，适配大臂围240mm到360mm的不同穿戴者需求，支撑臂主体采用轻量化铝合金材质加工，单侧整体重量控制在1.8kg以内，不会给穿戴者增加额外的负重负担，

　　驱动模组的走线全部内嵌在支撑臂的中空腔体内，避免外部走线在作业过程中与周边设备产生勾挂。在工业作业场景下，这套结构还可以适配不同的末端执行器接口，当更换为扭矩输出模块时，可辅助操作人员完成大扭矩螺栓的紧固作业，抵消工具反作用力对上肢的冲击；在航天出舱作业场景中，结构可适配舱外航天服的外层固定点位，在加压服活动阻力较大的情况下，为上肢动作提供助力，降低航天员的体能消耗；海军甲板作业场景中，结构做了阳极氧化防腐处理，可耐受长期盐雾环境侵蚀，配合防水护套可在暴雨、海浪泼溅环境下正常工作。结构的铰接位置全部采用自润滑轴承，无需定期加注润滑脂即可满足上万次转动的使用需求，绑带内侧设置了缓冲泡棉层，即使长时间穿戴也不会对肢体表面产生压痕，

　　驱动控制模块预留了力反馈信号接口，可根据穿戴者的肌肉电信号调整助力输出比例，实现动作的随动响应，不会出现动作滞后或者助力方向与肢体运动意图相悖的情况。在结构强度校核阶段，针对支撑臂的受力工况做了多场景仿真验证，当末端承受20kg瞬时冲击载荷时，支撑臂的最大形变量不超过0.8mm，不会出现结构弯折失效的情况，铰接轴的抗剪切强度满足三倍额定载荷的安全冗余要求，即使在极端作业工况下也能保障穿戴者的肢体安全。整套结构没有多余的突出棱角，所有外露边缘都做了R3以上的圆角处理，避免在狭窄作业空间内剐蹭周边设备或者划伤操作人员，固定绑带采用快拆结构设计，单次穿戴或者脱卸的时长不超过10秒，遇到紧急情况时可快速脱离装置。