單兵外骨骼裝備技術(shù)簡介

葛水平楊陳君陳耀凱

（1.云南嶺東印刷包裝有限公司，云南 楚雄 675002；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

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單兵外骨骼裝備技術(shù)簡介

葛水平1楊陳君2陳耀凱1

（1.云南嶺東印刷包裝有限公司，云南 楚雄 675002；2.華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074）

摘 要：當(dāng)前世界上很多國家，為了應(yīng)對不斷變化的軍事變革，都在大力提升自己的單兵作戰(zhàn)能力，而這就要依托于先進(jìn)的武器裝備，使得士兵的負(fù)重也大大增加，增大了作戰(zhàn)難度。而外骨骼裝備的出現(xiàn)及應(yīng)用將改變這種局面。它不但可以增強士兵的負(fù)重能力，是一個非常不錯的武器搭載平臺，同時可以提升士兵的機動性和防御能力。因此外骨骼技術(shù)作為一項前沿科技，勢必在未來戰(zhàn)場上起到很大的作用，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單兵系統(tǒng)；外骨骼；應(yīng)用前景

一、外骨骼技術(shù)介紹

外骨骼（Exoskeleton）這一名詞，來源于生物學(xué)昆蟲和殼類動物的堅硬外殼，它是一種能夠提供對生物柔軟內(nèi)部器官進(jìn)行構(gòu)型，建筑和保護(hù)的堅硬的外部結(jié)構(gòu)。人體外骨骼系統(tǒng)是一個穿戴在操作者身體外部的：“機器人”他能對穿戴者提供支撐保護(hù)的同時還可以為人體提供額外的動力和感知能力，可以大大地增加人體機能。

外骨骼技術(shù)是人體與機器的完美融合，穿戴者和外骨骼成為了一個閉環(huán)的協(xié)同系統(tǒng)。機器通過多種傳感器實時感知穿戴者的運動狀態(tài)和運動意圖，并進(jìn)行實時分析，快速做出反應(yīng)，以實現(xiàn)人機多自由度、多運動狀態(tài)的運動輔助，并對穿戴者的行為運動進(jìn)行放大，提升人體機能。

（一）單兵外骨骼技術(shù)的研究背景

未來戰(zhàn)爭，越來越趨近小型化、特種化，所以單兵作戰(zhàn)能力就顯得越來越重要，戰(zhàn)場上要求士兵擁有超強的作戰(zhàn)能力及偵查能力，但是有時候受到地形、負(fù)重等因素的限制，人體機能的極限已經(jīng)無法適應(yīng)瞬息萬變的戰(zhàn)場情況。在這種情況下，能夠提高士兵身體機能的外骨骼裝備就成為解決這個問題的最好方案。

（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，大多數(shù)國家對于外骨骼的研究都還屬于初步階段，比較先進(jìn)的有美國和日本。而我國對外骨骼領(lǐng)域的探索比較晚，但隨著外骨骼機器人在社會上的需求量不斷增大，我國也在這個領(lǐng)域投入了比較大的研究力量，也取得了一些成果。近年來的代表成果有伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)，雷神公司的XOS2系統(tǒng)，還有國內(nèi)自主研發(fā)的中國單兵外骨骼系統(tǒng)。下面就一一簡單介紹。

1. 伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)

BLEEX系統(tǒng)是伯克利大學(xué)設(shè)計研發(fā)的一款人體外骨骼系統(tǒng)（圖1）。它主要由燃料供給及發(fā)動機系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及外骨骼機構(gòu)等構(gòu)成，穿戴者要通過傳動帶將自身的腿與機械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發(fā)動機、控制系統(tǒng)的大背包，穿戴者進(jìn)行運動的時候，位于腿部的傳感器會搜集運動信號，并實時做出反應(yīng)，通過液壓系統(tǒng)為外骨骼系統(tǒng)提供動力，從而達(dá)到運動輔助的功能，此裝置的最大負(fù)重是32kg，但是對于穿戴者來說，他只感到背負(fù)了2kg一樣，這可以大大提升士兵的負(fù)重能力。但是對于戰(zhàn)場使用來說，這個裝置體積過大，對使用者的行動有所限制，導(dǎo)致使用環(huán)境受到限制，可靠性和自持能力還有待提高，因此作為軍事用途還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。

2. 雷神公司的XOS2系統(tǒng)

XOS2系統(tǒng)（圖2）是美國某公司開發(fā)的第二代外骨骼裝置，它由一系列結(jié)構(gòu)、傳感器、傳動裝置以及控制器構(gòu)成，由高壓液壓驅(qū)動。相對于伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)來說，這個系統(tǒng)更像是一個全身外骨骼。借助于XOS2，穿戴者可輕松將90kg的重物舉起幾百次，同時不會感到疲勞，此外還可重復(fù)擊穿約合7.62cm厚的木板。除此之外，穿著者還能靈活運動，可以進(jìn)行諸如俯臥撐、爬樓梯、踢足球等復(fù)雜運動。但它最大的缺陷就是要拖著一條外接電纜。而自帶電池只夠使用40分鐘，所以還需要解決的問題還有很多。

3. 中國單兵外骨骼系統(tǒng)

中國單兵外骨骼系統(tǒng)（圖3）是由中國兵器集團(tuán)某研究所研制的外骨骼系統(tǒng)，它的額定背負(fù)是35kg，額定搬運是50kg，在背負(fù)35kg的情況下，平地步速4.5km/h，平地行走續(xù)航里程20km。該新型外骨骼若裝備部隊，可提高高原部隊的單兵負(fù)重量，提升單兵偵查能力，可執(zhí)行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務(wù)。

（三）外骨骼裝置的結(jié)構(gòu)與原理

外骨骼裝置主要包括機械外框架、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信計算系統(tǒng)、執(zhí)行機構(gòu)和能源動力6大部件。結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1. 仿形機械結(jié)構(gòu)裝置：采用仿生技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)打造出的外骨骼外框架，能與人體完美結(jié)合，同時具有高強度、質(zhì)量輕等優(yōu)點，輕質(zhì)與堅韌的實現(xiàn)需要高強度多功能一體化的復(fù)合材料，新材料應(yīng)具有綜合力學(xué)性能優(yōu)異、可設(shè)計性強、一次成型等優(yōu)點，舒適性要求最小化穿戴者運動時的約束感，應(yīng)該依照仿生學(xué)原理，根據(jù)人體外形設(shè)計出合適的結(jié)構(gòu)，同時外骨骼應(yīng)有應(yīng)急保護(hù)機制，在出現(xiàn)故障時能輕松脫下。

2. 智能感知系統(tǒng)：通過多傳感器和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)感知穿戴者的運動姿態(tài)和生理狀態(tài)，同時預(yù)測穿戴者的運動意圖，人體的運動狀態(tài)是非常復(fù)雜的，每時每刻都不停地在變化，所以就需要傳感器能夠快速且精準(zhǔn)地感受當(dāng)前的運動狀態(tài)，需要綜合使用多種傳感器，例如慣性傳感器、肌電傳感器、薄膜傳感器和光纖傳感器等。

3. 控制系統(tǒng)：對傳感器檢測回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對穿戴者的運動需求，通過隨動控制技術(shù)實現(xiàn)外骨骼的多自由度、助力隨動的目的，要求控制系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確快速地分析多種信號，識別出穿戴者當(dāng)時的運動狀態(tài)，并且能夠根據(jù)外環(huán)境做出相應(yīng)地響應(yīng)，對行動進(jìn)行預(yù)測。

4. 通信計算系統(tǒng)：為各系統(tǒng)提供計算和通信處理平臺。

5. 執(zhí)行機構(gòu)：跟隨控制系統(tǒng)傳來的信號，根據(jù)關(guān)節(jié)動力學(xué)，綜合應(yīng)用電機、液壓、氣壓等驅(qū)動方式，實現(xiàn)高功率小型化的驅(qū)動助力，同時可以開發(fā)新的驅(qū)動方式，比如模擬人體肌肉的運動模式，開發(fā)出能自動力的高效動力機構(gòu)。

6. 能源系統(tǒng)：為各個系統(tǒng)提供能源，外骨骼裝備要求能源系統(tǒng)具有高效便攜安全，可以使用高效能源電池，或者多種能源混合使用，如太陽能風(fēng)能等，甚至可以開發(fā)便攜式核能源。

其工作原理一般為：根據(jù)仿生學(xué)、動力學(xué)等原理，設(shè)計機械機構(gòu)組成外骨骼框架；在人體和外骨骼系統(tǒng)中安防各種傳感器，如在關(guān)節(jié)部位安裝角度傳感器，在足底等支撐位置安裝壓力傳感器，在人體皮膚上安裝生理信號傳感器，實時感知人體的運動信息和生理信息；傳輸?shù)角度胧接嬎銠C中，計算機綜合各傳感信息，并通過相應(yīng)的感知和預(yù)測算法，感知人體姿態(tài)并對運動做出預(yù)測；控制系統(tǒng)綜合各種信息，將之轉(zhuǎn)化為控制參數(shù)，驅(qū)動外骨骼框架運動，實時追蹤人體運動并對人體運動提供高效的助力。最終能達(dá)到人機一體化。

二、外骨骼裝備現(xiàn)在存在的缺陷與不足

現(xiàn)在已經(jīng)有好幾個國家都做出了自己的外骨骼裝備，有的已經(jīng)在應(yīng)用于部隊。但是還是有許多明顯的問題：BLEEX裝置由于其能耗過大，穿戴者長時間使用會導(dǎo)致膝蓋不適，因此并未獲得進(jìn)一步地資助；XOS2系統(tǒng)因為自帶電池只能用40分鐘，導(dǎo)致其始終離不開地面供電，因此至今也未投入使用。現(xiàn)階段的外骨骼裝備尚存在以下幾點不足：

1. 能源：外骨骼裝備要求高效長久輕便安全的能源供給，現(xiàn)階段的能源還做不到這一點，需要開發(fā)設(shè)計出續(xù)航時間長、質(zhì)量功率比高、安全性能符合要求的專用動力輸出能源，另一方面應(yīng)該盡量減少機械部分的能源消耗，通過智能化管理實現(xiàn)能源的高效管理和利用。

2. 機械結(jié)構(gòu)不夠擬人化：機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要滿足輕質(zhì)、舒適、堅韌和承力的要求，可以應(yīng)用新型復(fù)合材料作為外骨骼的主要框架，在提升強度的同時減輕質(zhì)量。舒適性不僅是穿戴后人體靜止的感受，更重要的是減少人體運動時的約束感，對于單兵系統(tǒng)中的應(yīng)用，還要求具有良好的便攜性，同時方便穿戴和脫下。

3. 人機接口技術(shù)不完善：外骨骼技術(shù)的核心就是人機完美結(jié)合，機器要能準(zhǔn)確地了解穿戴者的運動和運動趨勢并在短時間內(nèi)做出反應(yīng)，由于人體的關(guān)節(jié)系統(tǒng)非常復(fù)雜，需要應(yīng)用大量的傳感器，對準(zhǔn)確性要求非常大，而且要依靠先進(jìn)的算法快速做出分析并做出反應(yīng)。

4. 驅(qū)動機構(gòu)技術(shù)：驅(qū)動技術(shù)就好比外骨骼的“肌肉”，是外骨骼裝備中提供動力的裝置，需要綜合運用液壓、氣壓和電動等多種驅(qū)動方式，這3種方式各有利弊，所以要根據(jù)各個關(guān)節(jié)動力學(xué)的情況，全面綜合應(yīng)用各種驅(qū)動方式，實現(xiàn)快速精確地響應(yīng)。

三、外骨骼裝備在單兵系統(tǒng)中的應(yīng)用展望

外骨骼技術(shù)可以大大增強士兵的負(fù)重能力，從而可以攜帶更多的武器裝備；可以提升士兵的防御力，因為機械的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體，如果再加上適合單兵的復(fù)合材料裝甲，將會將單兵防御能力提升到一個新的水平；它可以提高士兵的機動能力，可以讓士兵快速地到達(dá)戰(zhàn)場的任何角落，甚至在將來，飛行能力也被集成到外骨骼裝備中，這將大大提高單兵的機動能力，還可以提升戰(zhàn)場感知能力，可以在外骨骼上加裝傳感器系統(tǒng)，以加強士兵的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力，還可以加裝衛(wèi)星通信和定位裝置，使每個士兵都成為一個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點，可以使士兵更好地應(yīng)對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境。這些優(yōu)點都說明外骨骼裝備將在未來戰(zhàn)場上具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前擺在需要解決的問題還有很多，未來的外骨骼需要更加巨大的能源，更先進(jìn)的操控，更敏感的傳感器，更加先進(jìn)的設(shè)計，這些與先進(jìn)武器裝備相結(jié)合，會使普通士兵變成可以在負(fù)載很多的情況下也可以快速運動的超級戰(zhàn)士，那么可以想象這樣的士兵會是多么恐怖。

結(jié)語

外骨骼作為一項可以大幅度提高單兵作戰(zhàn)能力的技術(shù)，可以很好地適應(yīng)未來的戰(zhàn)場格局。現(xiàn)在外骨骼技術(shù)在雖然發(fā)展迅速，但是仍有許多問題需要解決。目前各國都在加緊研究外骨骼技術(shù)，以提升自己的單兵作戰(zhàn)能力，相信不遠(yuǎn)的將來就會有更多更加先進(jìn)的外骨骼裝備。

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中圖分類號：TP311

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A