集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

周加永，王 晶，孟小凈，莫新民，張 昂，李睿遠(yuǎn)

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

周加永，王 晶，孟小凈，莫新民，張 昂，李睿遠(yuǎn)

(西北機(jī)電工程研究所， 陜西 咸陽(yáng) 712099)

柔性外骨骼機(jī)器人與傳統(tǒng)增力型外骨骼機(jī)器人相比，具有高度集成化、智能化、柔順性和安全性，因而成為外骨骼機(jī)器人研究方面的熱點(diǎn)。對(duì)目前柔性外骨骼的研制進(jìn)展進(jìn)行了分析，重點(diǎn)分析了負(fù)重智能分布技術(shù)、減輕和預(yù)防士兵損傷的技能增強(qiáng)技術(shù)、功能性紡織技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并對(duì)其未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

集成化；智能化；柔性外骨骼；關(guān)鍵技術(shù)

隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)手段的發(fā)展，武器裝備不斷改善，士兵背部負(fù)重量呈越來(lái)越重的趨勢(shì)，直接影響了士兵的健康和戰(zhàn)斗力。針對(duì)未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)需求，為了減輕負(fù)重對(duì)士兵的損傷，提高士兵的全景態(tài)勢(shì)感知，復(fù)雜環(huán)境通信、高負(fù)荷機(jī)動(dòng)，生存防護(hù)、持久作戰(zhàn)等綜合作戰(zhàn)能力。需要研制一種以柔性外骨骼為支撐，質(zhì)量輕、柔韌性好的集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)。柔性外骨骼作為一種新型的高科技產(chǎn)物充分吸收了各領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，讓士兵與外骨骼的交互體如同穿衣服(甚至如同肌肉、皮膚)一樣自然自如，提高士兵的機(jī)動(dòng)性，在一定程度上緩解士兵的運(yùn)動(dòng)疲勞。集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)將智能隱形戰(zhàn)衣、融入式戰(zhàn)場(chǎng)感知系統(tǒng)形成新一代單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，即人形機(jī)甲一體化綜合防護(hù)系統(tǒng)。形成人機(jī)一體、具備快速機(jī)動(dòng)能力，高效防護(hù)的“鐵甲戰(zhàn)士”，使士兵有效融入陸軍一體化聯(lián)合作戰(zhàn)體系。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著士兵的生存力日益被重視，發(fā)展具有多種功能的可穿戴作戰(zhàn)系統(tǒng)已成為士兵裝備技術(shù)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)是一種質(zhì)量輕、柔韌性好的可穿戴式作戰(zhàn)系統(tǒng)，能自動(dòng)變硬或松弛以避免士兵受傷，同時(shí)可增強(qiáng)肌肉機(jī)能以減小負(fù)重在士兵身體上的作用力，降低長(zhǎng)時(shí)間負(fù)重、在崎嶇地形行軍士兵的疲勞損耗。

1.1 國(guó)外研究狀況

以軍事應(yīng)用為背景，美國(guó)最先進(jìn)行了集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的研制。2011年9月，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局啟動(dòng)了“勇士織衣”集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)探索性研究項(xiàng)目，如圖1，圖2所示。該可穿戴式作戰(zhàn)系統(tǒng)要求功率小于100 W，質(zhì)量不到9 kg，電池重約4.5 kg，在一次充電后可持續(xù)工作24 h，士兵背負(fù)45 kg重物、以1.25 m/s速度在平地行走時(shí)，可以減少25%代謝消耗。美軍已在阿伯丁試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)“勇士織衣”樣服進(jìn)行了兩輪測(cè)試評(píng)估，測(cè)試中身穿“勇士織衣”作戰(zhàn)服的士兵背負(fù)27.7 kg重物仍能正常行走，如圖3所示[1]。

圖1 “勇士織衣”作戰(zhàn)系統(tǒng)概念圖

圖2 “勇士織衣”作戰(zhàn)系統(tǒng)

哈佛大學(xué)懷斯生物工程研究所正在研制的柔性外骨骼—Soft Exosuit，如圖4所示，已經(jīng)集成到“勇士織衣”項(xiàng)目中，已解決了首輪評(píng)估中發(fā)現(xiàn)的舒適度和適配性等問(wèn)題，系統(tǒng)功能變得更強(qiáng)大，并開(kāi)展野外測(cè)試，效果良好。

美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)正致力于研究—款能夠?qū)W習(xí)穿戴者動(dòng)作的柔軟型機(jī)械外骨骼Super flex，如圖5所示，它可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)傳感器等儀器學(xué)習(xí)穿戴者的動(dòng)作，同時(shí)它能給予穿戴者支撐身體軀干和四肢的力量。Super flex外骨骼質(zhì)量約為3.63 kg，電池質(zhì)量為1.36 kg，在負(fù)重或輔助老年人行走時(shí)，這種柔性外骨骼還可向用戶的腿部、手臂或軀干提供一定的支承力[2]。

圖3 “勇士織衣”作戰(zhàn)服負(fù)重實(shí)驗(yàn)

圖4 Soft Exosuit

美軍正在計(jì)劃將加拿大仿生電力的Power Walk (見(jiàn)圖6)行動(dòng)動(dòng)能蓄電裝置，投入到實(shí)際測(cè)試使用中。該裝置就像外骨骼一樣能夠覆蓋膝蓋及腿部肌肉，并且能將人體行走時(shí)的動(dòng)能，轉(zhuǎn)化為電能從而為電子設(shè)備供電，且還能減緩行動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的疲勞感。該裝置最高能夠輸出10～12 W的電力，以5 km/h的速度行走1 h，能夠產(chǎn)生并存儲(chǔ)足夠4部智能手機(jī)使用的電力。除了軍用以外，加拿大仿生電力還希望能將Power Walk推廣向其他專業(yè)領(lǐng)域和消費(fèi)市場(chǎng)[3]。

2015年澳大利亞國(guó)防部正在投資研制一種新型被動(dòng)式可穿戴柔性外骨骼OX，如圖7所示，它能將士兵負(fù)重的2/3直接轉(zhuǎn)移至地面。該被動(dòng)式可穿戴柔性外骨骼，質(zhì)量不到3 kg，配有兩條簡(jiǎn)易鮑登線，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需重型電池，成本低，易于與穿戴者和裝備集成，且不用時(shí)可以拆除并裝入背包[4]。

圖5 Super flex

圖6 Power Walk

圖7 OX

此外，國(guó)外已經(jīng)研制出了能為人體局部助力，減輕損傷具有柔性外骨骼的功能性的服裝。由日本廣島大學(xué)、北海道大學(xué)、Smart Support Technologies 公司和喬治亞理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)的SEnS感知運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)服(見(jiàn)圖8)，只要穿上它，干活時(shí)你就可以更加省力，而且根本不用電源。科學(xué)家們通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算人體的活動(dòng)，得出其感知運(yùn)動(dòng)的最大值，然后用柔性織物制成了 SEnS[5]。

德國(guó)的Fraunhofer Institute設(shè)計(jì)研究院開(kāi)展了一個(gè)名為“Care Jack”的研究計(jì)劃，他們正在研究一種Care Jack智能背心(見(jiàn)圖9)，希望能為醫(yī)護(hù)人員提供身體上的支撐。這件智能背心內(nèi)置的充電裝置能夠在用戶活動(dòng)的時(shí)候積蓄電能，然后在用戶負(fù)重的時(shí)候釋放能量，為用戶提供支承力。用戶也可以自己調(diào)節(jié)能量釋放的時(shí)間和程度[6]。

圖8 SEnS感知運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)服

圖9 Care Jack智能背心

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)在穿戴式外骨骼研制方面起步較晚，與美國(guó)存在巨大的差距，2000年以前幾乎是空白，只有少數(shù)院校進(jìn)行過(guò)理論研究。2004年美國(guó)對(duì)BLEEX外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行公開(kāi)報(bào)道后，國(guó)內(nèi)一些院校和科研院所才開(kāi)始從事類似項(xiàng)目的研制。2006年海軍航空工程大學(xué)研制出第一款單兵負(fù)荷外骨骼系統(tǒng)，隨后各單位陸續(xù)研制出各自的外骨骼樣機(jī)。目前國(guó)內(nèi)的研究方向分兩個(gè)，一是以軍事應(yīng)用為背景，二是以醫(yī)療康復(fù)為背景。其中，兵器工業(yè)202所、兵器裝備208所、航天科工206所、總后軍需裝備研究所、北京理工大學(xué)、海軍航空工程大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京中航雙興科技有限公司等單位以軍事應(yīng)用為背景進(jìn)行研究；電子科技大學(xué)、華東理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等單位以醫(yī)療康復(fù)為背景進(jìn)行研究。上述單位所研制的外骨骼都屬于作戰(zhàn)型或作業(yè)型剛性外骨骼，沒(méi)有研制出柔性外骨骼樣機(jī)，一些單位只進(jìn)行了相關(guān)理論研究工作。

2 系統(tǒng)組成

柔性外骨骼作為集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的主要支撐體，在提高士兵作戰(zhàn)效能和保障士兵健康安全方面發(fā)揮著巨大的作用。集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路更像為人體設(shè)計(jì)衣服，無(wú)論感知還是執(zhí)行機(jī)構(gòu)都充分考慮與人體的柔性結(jié)合，通過(guò)感知生理信號(hào)預(yù)判人體動(dòng)作，如肌電信號(hào)、腦電信號(hào)、心率、血壓、血氧等。與剛性外骨骼采用大量剛性材料不同，集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)更強(qiáng)調(diào)“布料”適應(yīng)人的行動(dòng)而不是去限制，因此，這種“衣服”的超凡能力與柔性“布料”息息相關(guān)。

綜合國(guó)內(nèi)外研究和探索的情況，集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)組成應(yīng)包括以下5個(gè)方面：

1) 柔性外骨骼支架系統(tǒng)：人機(jī)穿戴緊密貼合性與舒適性的承載機(jī)構(gòu)是集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，柔性支架系統(tǒng)可使力均勻分布在腿上；采用剛度可變的輕型電控彈簧，能夠存儲(chǔ)能量，并限制運(yùn)動(dòng)范圍，避免損傷或疲勞。

2) 柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是微型電機(jī)、特殊功能性結(jié)構(gòu)件以及一系列彎曲時(shí)會(huì)變短的細(xì)繩組成，通過(guò)微型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)繩的伸長(zhǎng)與縮短，為穿戴者助力，這些纜線是柔性的，能夠隨穿戴者彎曲，不會(huì)妨礙穿戴者的動(dòng)作范圍。

3) 柔性控制系統(tǒng)：柔性控制系統(tǒng)的電薄片控制器不僅使用了彈性材料，還使用4D材料，能夠在關(guān)閉時(shí)改變力學(xué)性能，質(zhì)量?jī)H幾克，能在低電流下應(yīng)用高電壓時(shí)從柔性材料轉(zhuǎn)變?yōu)橛操|(zhì)材料。

4) 人體運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)傳感器、加速計(jì)和陀螺儀可讀取穿戴者腿部的速度和角度，并據(jù)此實(shí)時(shí)調(diào)整，傳感器可預(yù)知穿戴者的運(yùn)動(dòng)，能在精確的時(shí)間內(nèi)根據(jù)需求啟動(dòng)外骨骼；智能高效的傳感網(wǎng)絡(luò)可有效感知、判別人體肢體的運(yùn)動(dòng)及趨勢(shì)，亦可用于評(píng)測(cè)人體骨骼肌肉疲勞度。

5) 功能性紡織服：功能性紡織服結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)要具備防彈性能強(qiáng)，柔韌性和靈活性好，質(zhì)量輕，舒適耐用等特點(diǎn)，并且還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容。

3 關(guān)鍵技術(shù)

集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的使用，未來(lái)士兵將具備網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力、持久的耐力與超強(qiáng)機(jī)動(dòng)能力，徹底改變步兵傳統(tǒng)單打獨(dú)斗的作戰(zhàn)模式，成為真正的“超人”。集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)是一種全新的可穿戴式作戰(zhàn)系統(tǒng)，具有獨(dú)特的技術(shù)性能特點(diǎn)，其核心關(guān)鍵技術(shù)包括以下3個(gè)方面：

1) 負(fù)重智能分布技術(shù)；

2) 減輕和預(yù)防士兵損傷的機(jī)能增強(qiáng)技術(shù)；

3) 功能性紡織技術(shù)。

3.1 負(fù)重智能分布技術(shù)

集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的不是讓穿戴者舉起大型物品，而是讓集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)與人體肌肉相互配合，在士兵負(fù)重行軍時(shí)，使負(fù)重智能分布于士兵全身，減小負(fù)重對(duì)士兵的作用力，以減少人體損傷，提高人體耐力。具體研究?jī)?nèi)容主要包括以下4個(gè)方面：

1) 人機(jī)柔性結(jié)合技術(shù)

集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更像是為人體設(shè)計(jì)衣服，無(wú)論感知還是執(zhí)行機(jī)構(gòu)都充分考慮與人體的柔性結(jié)合。集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)的柔性外骨骼裝置被安裝到網(wǎng)狀織物帶上，它是人機(jī)交互的機(jī)械界面，支撐人體下肢的有效載荷以及自身的重量。在保證使用者舒適性的前提下，提供有效助力，因此要求確保人機(jī)之間的干涉盡可能小。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，首先根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)，按照一定的算法快速生成目標(biāo)步態(tài)的參考命令；其次是關(guān)節(jié)控制層接收到命令后，要能夠迅速準(zhǔn)確地觸發(fā)驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作，使各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這樣，外骨骼才能準(zhǔn)確及時(shí)產(chǎn)生接近人體自然步態(tài)的動(dòng)作，從而達(dá)到降低行走干涉的目的，并為人體關(guān)節(jié)提供額外動(dòng)力。柔性外骨骼的電池和電機(jī)被安裝在穿戴者的腰部，以避免任何剛性零件影響人體關(guān)節(jié)的活動(dòng)。柔性外骨骼的穿戴者不必對(duì)輸出力度進(jìn)行手工調(diào)節(jié)或者去適應(yīng)柔性外骨骼啟動(dòng)后的固定行走速度，是提高穿戴者的活動(dòng)能力，而不是讓穿戴者去適應(yīng)柔性外骨骼。

2) 人體不同部位疲勞極限負(fù)重分析

根據(jù)當(dāng)前競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，對(duì)人體疲勞和極限負(fù)重進(jìn)行分析。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算數(shù)據(jù)分布，對(duì)平均體能和極限體能提出較為合理的估計(jì)值數(shù)據(jù)。

3) 負(fù)重向人體不同部位傳遞的方式和方法

根據(jù)當(dāng)前體育、登山、戶外等領(lǐng)域?qū)θ梭w運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和負(fù)重活動(dòng)的研究成果，結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析人體負(fù)重的體積、重心，探索通過(guò)集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)減輕人體受力、降低體能消耗的方法。

4) 人體運(yùn)動(dòng)感知與控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)柔性外骨骼系統(tǒng)的感知系統(tǒng)，根據(jù)柔性外骨骼系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及不同狀態(tài)下的助力效果選用肌肉壓力傳感器或力傳感器、位置傳感器、溫度傳感器以及其他用于人體運(yùn)動(dòng)意圖感受的傳感器等，再對(duì)傳感器反應(yīng)速度、精度、穩(wěn)定性和量程范圍等進(jìn)行界定，確定傳感器的具體型號(hào)和類型，達(dá)到人機(jī)高度親和的目的，以實(shí)現(xiàn)外骨骼自適應(yīng)隨動(dòng)控制的需求。

柔性外骨骼系統(tǒng)的感知策略為：首先利用腦電信號(hào)的超前性完成人體簡(jiǎn)單動(dòng)作意圖的預(yù)判，主要為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等動(dòng)作方向的識(shí)別；然后利用表面肌電感知子系統(tǒng)感知、分析并完成人體下肢某動(dòng)作的模式識(shí)別；與此同時(shí)，光纖動(dòng)作捕捉系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋人體運(yùn)動(dòng)位置和姿態(tài)，對(duì)肌電感知子系統(tǒng)識(shí)別的動(dòng)作模式進(jìn)行反饋修正，最終判別出某種特定的動(dòng)作模式。

3.2 減輕和預(yù)防士兵損傷的機(jī)能增強(qiáng)技術(shù)

損傷減輕與預(yù)防技術(shù)，是為了減輕穿戴者因背負(fù)重物長(zhǎng)時(shí)間行走或跑動(dòng)而引起的肌肉骨骼損傷，主要研究運(yùn)動(dòng)中通過(guò)機(jī)械或從結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生緩沖效果，維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定；提供肌肉主動(dòng)刺激，以保護(hù)關(guān)節(jié)和軟組織；通過(guò)產(chǎn)生反向力，使關(guān)節(jié)有效抵御那些超過(guò)其支撐能力或極限的外力等。

人體機(jī)能增強(qiáng)技術(shù)，能提高士兵在跑動(dòng)、提舉、攀爬、負(fù)重、射擊等過(guò)程中的體能和耐力。研究集中在提高士兵負(fù)重或非負(fù)重狀態(tài)下的跑步速度；減少人體代謝消耗；增強(qiáng)士兵提舉能力；通過(guò)耐力訓(xùn)練，提升士兵射擊技能或認(rèn)知任務(wù)效能等方面。具體研究?jī)?nèi)容包括以下5個(gè)方面：

1) 柔性支架系統(tǒng)研究

人機(jī)穿戴緊密貼合性與舒適性的承載機(jī)構(gòu)是集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，柔性支架系統(tǒng)可使力均勻分布在腿上。

2) 柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)研究

柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是微型電機(jī)、特殊功能性結(jié)構(gòu)件以及一系列彎曲時(shí)會(huì)變短的細(xì)繩組成，通過(guò)微型電機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)細(xì)繩的伸長(zhǎng)與縮短，為穿戴者助力，這些纜線是柔性的，能夠隨穿戴者彎曲，不會(huì)妨礙穿戴者的動(dòng)作范圍。

3) 剛度可調(diào)核心部件研究

可變剛度的材料可以提供一系列新功能，包括通過(guò)調(diào)整剛性連接和關(guān)節(jié)的位置重新配置系統(tǒng)，并能夠調(diào)整不同剛度的可穿戴織物。在必要的時(shí)候變硬，而在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候變軟，減輕士兵的疲勞感。

一種方案是通過(guò)先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)材料本身剛度的變化。可變剛度織物由形狀記憶材料制成，其中形狀記憶合金(SMA)表面涂覆有形狀記憶聚合物(SMP)薄膜。SMP向玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)，這種織物會(huì)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)的彎曲剛度。另一種方案是通過(guò)設(shè)計(jì)特殊的可調(diào)機(jī)構(gòu)，利用控制方法對(duì)可變剛度關(guān)節(jié)進(jìn)行有效調(diào)整，這種可變剛度關(guān)節(jié)是由調(diào)節(jié)平衡位置的剛性環(huán)節(jié)和剛度可調(diào)的柔性環(huán)節(jié)組成的。在可控剛度的關(guān)節(jié)里面安置剛性環(huán)節(jié)和輸出端加入柔性單元，柔性單元的引入增加了關(guān)節(jié)的柔順性，使穿戴者運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不但減輕了能量的耗損而且還在很大程度上對(duì)關(guān)節(jié)起到保護(hù)作用，并使穿戴者的舒適度得到提高。

4) 易受損傷部位保護(hù)措施研究

在分析研究人體易損部位的基礎(chǔ)上，在易損傷部位采取相應(yīng)的保護(hù)措施，例如，在易損部位設(shè)計(jì)緩沖結(jié)構(gòu)、功能性結(jié)構(gòu)件等。

5) 人機(jī)平衡智能控制技術(shù)及安全性研究

為了保證柔性外骨骼系統(tǒng)在工作過(guò)程中安全穩(wěn)定，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)超出安全裕度時(shí)，及時(shí)向穿戴者傳送信號(hào)并報(bào)警，并按照導(dǎo)入的安全規(guī)則，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使重心回到穩(wěn)定范圍內(nèi)。首先，進(jìn)行失穩(wěn)邊界條件分析，進(jìn)行行走過(guò)程的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，繪制重心變化圖，利用人機(jī)工程學(xué)知識(shí)確定相應(yīng)肌肉的受力，通過(guò)計(jì)算，確定重心變化的允許上限。再次，進(jìn)行綜合重心位置計(jì)算，利用安裝在各個(gè)部位上的傳感器，判斷系統(tǒng)的位置姿態(tài)，實(shí)施計(jì)算出系統(tǒng)的綜合重心位置。最后，編制監(jiān)控警報(bào)程序，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)循環(huán)檢測(cè)一次重心位置是否超出安全裕度范圍，超出范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

柔性外骨骼系統(tǒng)可靠的安全限位保護(hù)裝置是不可缺少的，通常限位方式可分為軟限位和硬限位。軟限位一般通過(guò)上層控制程序?qū)Ω鱾€(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限位，但為了確保系統(tǒng)的萬(wàn)無(wú)一失，還必須要在底層設(shè)有機(jī)械和電路的硬限位，使外骨骼在檢測(cè)到關(guān)節(jié)到達(dá)機(jī)械限位時(shí)，能夠自動(dòng)切斷電源或使關(guān)節(jié)以反向緩慢運(yùn)動(dòng)回到安全初始位置，避免傷害操作者。

3.3 功能性紡織技術(shù)

柔性外骨骼的外部織物結(jié)合其他先進(jìn)技術(shù)要具備防彈性能強(qiáng)，柔韌性和靈活性好，質(zhì)量輕，而且舒適耐用等特點(diǎn)，并且還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容。具體研究?jī)?nèi)容包括以下4個(gè)方面：

1) 柔韌靈活性及兼容性研究

柔韌性和靈活性好，質(zhì)量輕，而且舒適耐用。它還能與現(xiàn)有士兵作戰(zhàn)服和裝備兼容，可供90%以上的士兵(男兵和女兵)使用。

2) 電子設(shè)備編織植入技術(shù)研究

結(jié)合了電子工程、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和紡織技術(shù)把電子設(shè)備編織到織物中——注意不是簡(jiǎn)單的嵌入，而是一針一線那樣紡織到產(chǎn)品本身中。

3) 溫度調(diào)節(jié)植入技術(shù)

柔性作戰(zhàn)系統(tǒng)內(nèi)采用微膠囊技術(shù)，將具有調(diào)溫功能的相變材料包裹并添加到纖維中或整理到面料表面，或?qū)⒛诚嘧儾牧咸畛溥M(jìn)粘膠纖維或聚丙烯中空纖維的中空部分。相變材料對(duì)周圍的溫度反應(yīng)極其敏感，在確定溫度范圍內(nèi)可以改變自身聚集狀態(tài)，從而釋放或吸收熱量，對(duì)人體熱量的變化給予補(bǔ)償，使服裝內(nèi)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的小氣候環(huán)境，且在此狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中相變材料的體積變化不明顯。

4) 液態(tài)護(hù)甲植入技術(shù)

液態(tài)護(hù)甲在正常使用期間像液體一樣易于變形和流動(dòng)，一旦被槍彈或破片擊中，就會(huì)立即變硬，阻止槍彈進(jìn)入士兵身體。這種新型液態(tài)護(hù)甲的特點(diǎn)是質(zhì)量輕，靈活性和防護(hù)性特別強(qiáng)。所用材料是經(jīng)納米技術(shù)改造過(guò)的液態(tài)硅，專業(yè)術(shù)語(yǔ)稱為“剪切增稠液體”(STF)。這種液態(tài)護(hù)甲材料的彈道防護(hù)性能優(yōu)于凱夫拉纖維，但比凱夫拉纖維更柔軟、更輕薄，可以覆蓋全身，而且不會(huì)影響士兵的靈活性。

實(shí)驗(yàn)證明，一件注入了STF的輕型防護(hù)背心不僅可以阻擋利刃、槍彈的穿透，還可以阻擋爆炸的沖擊波。

4 應(yīng)用前景

集成柔性外骨骼系統(tǒng)的未來(lái)可以集防彈衣、微氣候制冷系統(tǒng)和生化防護(hù)服為一體，既能防彈，又能減小爆炸沖擊波對(duì)士兵的傷害，還能為士兵提供生化戰(zhàn)劑保護(hù)，將使未來(lái)士兵具備網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)能力、超強(qiáng)的負(fù)重與機(jī)動(dòng)能力，徹底改變步兵傳統(tǒng)的單打獨(dú)斗作戰(zhàn)模式，成為真正的“超人”。

將來(lái)集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)可以織入光纖絲線，將受傷士兵的傷情實(shí)時(shí)傳送給醫(yī)療救護(hù)中心，為士兵提供遠(yuǎn)程救護(hù)，甚至能融入四周環(huán)境，使士兵成為“變色龍”。

[1] 袁文帥.防護(hù)服新概念：美軍輕型戰(zhàn)術(shù)突擊作戰(zhàn)服[J].輕兵器,2015,6(11):19-21.

[2] 李雨蒙.Superflex新型軟質(zhì)外骨骼幫老年人扔掉拐杖[J].中國(guó)民商,2016(7):70-70.

[3] 環(huán)球網(wǎng).美軍將實(shí)地測(cè)試PowerWalk行動(dòng)動(dòng)能蓄電裝置[EB/OL].[2016-05-12].http://tech.huanqiu.com/science/2016-05/8989987.html.

[4] 張曉峰.澳大利亞軍隊(duì)的新型可穿戴外骨骼[J].醫(yī)療衛(wèi)生設(shè)備,2016(11):164-164.

[5] 搜狐科技.德國(guó)研發(fā)智能背心 為負(fù)重者提供支撐力量[EB/OL].[ 2015-03-11].http://www.sohu.com/a/5727163_107310.

(責(zé)任編輯 周江川)

Study on Key Technologies of Integrated Intelligent Flexible Exoskeleton Combat System

ZHOU Jiayong, WANG Jing, MENG Xiaojing, MO Xinmin, ZHANG Ang, LI Ruiyuan

(Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

Compared with traditional reinforced exoskeleton robot, flexible exoskeleton robot has high integration, intelligence, flexibility and safety, so it has become a hotspot in exoskeleton robot research. The current progress of flexible exoskeleton development was studied. The key technologies, including intelligent load distribution, functional enhancement for mitigating and preventing injuries, and functional textile were mainly analyzed. At last, the future application of flexible exoskeleton was prospected.

integrated; intelligent; flexible exoskeleton; key technologies

2017-03-20；

2017-04-15

周加永(1984—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事液壓及機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.08.009

format:ZHOU Jiayong, WANG Jing, MENG Xiaojing, et al.Study on Key Technologies of Integrated Intelligent Flexible Exoskeleton Combat System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(8):36-40.

TJ03； TP242.62

A

2096-2304(2017)08-0036-05

本文引用格式：周加永，王晶，孟小凈，等.集成化智能柔性外骨骼作戰(zhàn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(8):36-40.