高溫礦井下動力外骨骼功能定義及設(shè)計(jì)實(shí)踐

中國礦業(yè)大學(xué) 閔燁

在許多科幻電影中出現(xiàn)過動力外骨骼的身影，如今它早已步入我們的現(xiàn)實(shí)生活中。動力外骨骼又稱作機(jī)械外骨骼、動力服等，是仿照昆蟲的外骨骼以及人體骨骼而設(shè)計(jì)的附著于人體外部的智能設(shè)備，集成了信息感知、信息融合和智能控制等技術(shù)，通過提供額外的動力來增強(qiáng)人體機(jī)能，將機(jī)器的力量與人結(jié)合[1]。高溫礦井下環(huán)境復(fù)雜，熱害以及塌方危險(xiǎn)威脅著工人的生命健康與生產(chǎn)安全。通過對動力外骨骼增加防護(hù)功能以及改良，可以提高工人的工作效率并保護(hù)其人身安全。

1 動力外骨骼發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用

目前動力外骨骼的主要應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)療康復(fù)與工業(yè)生產(chǎn)等。許多外骨骼系統(tǒng)中加入了人體檢測以及治療功能[2]，可對穿戴者的身體狀態(tài)以及生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測以及反饋。

外骨骼在醫(yī)療領(lǐng)域主要用于運(yùn)動功能障礙患者的肢體康復(fù)訓(xùn)練以及日常的運(yùn)動輔助。用于醫(yī)療的外骨骼主要為下肢外骨骼，通過外骨骼輔助步行是一種幫助下肢運(yùn)動功能障礙患者步行訓(xùn)練的新手段[3]，外骨骼可以為患者下肢提供支撐以及助力，使患者借助外骨骼重新恢復(fù)運(yùn)動能力。目前較成功的康復(fù)外骨骼是以色列埃爾格醫(yī)學(xué)技術(shù)公司研制的Rewalk 康復(fù)下肢外骨骼，患者可以通過智能拐杖來控制外骨骼，完成起身、行走等動作[4]。在人口老齡化日益嚴(yán)重的趨勢下，外骨骼也更加廣泛地應(yīng)用于老年人日常生活的輔助中。柔性外骨骼可以日常穿戴，是應(yīng)用較廣泛的老年人輔助設(shè)備。例如腰部柔性外骨骼通過腰部助力的方式彌補(bǔ)老年人的肌力差，幫助癱瘓及活動不便的老人進(jìn)行翻身、起身等動作[5]。

目前工業(yè)生產(chǎn)所使用的外骨骼主要用于生產(chǎn)車間、裝配車間等一些需要強(qiáng)度較大的體力勞動的生產(chǎn)場所。據(jù)工作基金會聯(lián)盟的統(tǒng)計(jì)，生產(chǎn)工人經(jīng)常一天需要提起總重達(dá)10 公斤的物體，歐盟約有四千四百萬工人患有因工作引發(fā)的肌肉骨骼疾病。工業(yè)外骨骼的優(yōu)勢在于不需要對現(xiàn)有的場景和設(shè)備進(jìn)行改造，結(jié)合人自身的柔性和剛性幫助佩戴者完成一些動作，使工人完成單靠人體力量無法完成的高強(qiáng)度作業(yè)，還不會產(chǎn)生過多的疲勞，同時(shí)也保護(hù)了工人的關(guān)節(jié)不受損害，可以有效地提高生產(chǎn)效率。例如，歐盟Robo-Mate 項(xiàng)目的研究人員開發(fā)出一種外骨骼，工人穿戴它進(jìn)行搬運(yùn)、抬舉重物時(shí)身體所負(fù)荷的重量只有實(shí)際重量的十分之一，可大大減輕工人搬運(yùn)物品時(shí)的體力消耗。

2 高溫礦井環(huán)境及個(gè)體防護(hù)技術(shù)

2.1 高溫礦井環(huán)境

隨著對礦產(chǎn)資源需要的進(jìn)一步增加，越來越多大功率開采設(shè)備投入到井下作業(yè)，礦井的開采深度也不斷增加，導(dǎo)致礦井下高溫?zé)岷Ω訃?yán)重[6]。高溫礦井下環(huán)境最突出的特點(diǎn)就是高溫高濕。礦井下的空間較為封閉，熱量難以及時(shí)散出，導(dǎo)致礦井下環(huán)境長時(shí)間保持高溫高濕的狀態(tài)。礦井熱害是指井下風(fēng)流的溫度、濕度、風(fēng)速達(dá)到一定狀態(tài)后，人體散熱困難，感到悶熱，進(jìn)而出現(xiàn)大汗不止、體溫升高、頭昏、虛脫等中暑癥狀甚至死亡的礦井自然災(zāi)害[7]。礦井熱害的主要來源是地?zé)?、機(jī)電設(shè)備以及其他熱源。礦井熱害嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)的進(jìn)行和礦工的生命安全，并會造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

高溫環(huán)境會加速人的身體代謝，導(dǎo)致大量排汗、排尿，增加身體的疲勞以及導(dǎo)致脫水。井下高溫環(huán)境下會使人產(chǎn)生高溫應(yīng)激，影響人體內(nèi)分泌系統(tǒng)以及神經(jīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)作，導(dǎo)致身體不適、運(yùn)動能力下降等一系列癥狀，甚至可能會對生命安全產(chǎn)生威脅。井下高溫環(huán)境不僅會對工人的身體造成危害，也會對工人心理造成一定的影響。長時(shí)間處于封閉且高溫高濕的礦井下，很容易產(chǎn)生焦躁、抑郁、緊張等一系列負(fù)面情緒，如果不加以正確的疏導(dǎo)，容易造成心理問題或精神疾病。人的心理對生理具有反作用，當(dāng)工人的心理處于不穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，也會影響到身體機(jī)能。另外在高溫高濕環(huán)境下人的注意力難以集中，思維遲鈍，容易犯困，會增加操作失誤和事故的產(chǎn)生。

2.2 高溫礦井個(gè)體防護(hù)技術(shù)

礦工在礦井熱害環(huán)境（高溫、高濕、高粉塵）下，通過個(gè)人防護(hù)技術(shù)，有效地隔離熱害對礦工的影響，礦工才能高效、安全地工作。應(yīng)以人機(jī)工程學(xué)、防護(hù)服裝功能學(xué)、生理學(xué)為指導(dǎo)，解決高溫礦井下個(gè)人防護(hù)技術(shù)問題，從而設(shè)計(jì)出適合礦井高溫環(huán)境下的個(gè)人防護(hù)裝備。高溫環(huán)境下的防護(hù)裝備具有以下特性：

2.2.1 阻燃性

部分礦井下存在可燃?xì)怏w，易產(chǎn)生燃燒、爆炸等危險(xiǎn)，防護(hù)裝備首先應(yīng)該具有良好的阻燃性，在火情下不易發(fā)生燃燒，成為保護(hù)穿戴者身體的第一道防線。

2.2.2 隔熱性

對于高溫礦井下的防護(hù)裝備，隔熱性是重要的特性之一。礦井工人長時(shí)間處于高溫環(huán)境下，外界熱量以熱對流、熱輻射和熱傳導(dǎo)至人體，使人體溫度過高，對人體產(chǎn)生傷害。具有隔熱性的防護(hù)服會將外界高溫環(huán)境與人體阻隔開來，使外界熱量難以與人體表面接觸，以此來保證穿戴者可以長時(shí)間在高溫環(huán)境下進(jìn)行施工作業(yè)。

2.2.3 完整性

完整性是指熱防護(hù)服在高溫下能夠保持織物原有的外觀形態(tài)，且防護(hù)性能保持穩(wěn)定。完整性要求防護(hù)服具有一定的韌性和抗穿刺性，不會在使用過程中產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致外界熱量進(jìn)入防護(hù)服內(nèi)部，影響防護(hù)性能。

2.2.4 舒適性

高溫環(huán)境下的防護(hù)裝備應(yīng)具有輕便、有彈性、穿著舒適等特點(diǎn)。工人需要穿著防護(hù)裝備進(jìn)行長時(shí)間、高強(qiáng)度的工作，如果裝備穿著的舒適度不達(dá)標(biāo)，會影響工人的心情以及工作精度，同時(shí)也會引起身體的不適，增加疲勞感等。另外，長時(shí)間處于復(fù)雜環(huán)境，裝備還應(yīng)具有一定的耐用性，包括耐腐蝕、耐磨等特點(diǎn)。

目前常見的個(gè)人高溫防護(hù)降溫服，是在防護(hù)服的基礎(chǔ)上增加冷卻系統(tǒng)，通過冷卻系統(tǒng)吸收人體產(chǎn)熱量，使人體在穿防護(hù)服的期間不至于因蓄存過多熱量而中暑[8]。熱防護(hù)服裝的冷卻方法有蒸發(fā)冷卻法、液體冷卻法、冰包法和相變材料冷卻法。液體冷卻服裝中，在微泵的幫助下，冷卻液體在管道中通過服裝與皮膚接觸循環(huán)，起到降溫效果。礦用高溫個(gè)體防護(hù)技術(shù)裝備有礦用降溫服、礦用降溫帽等。礦用降溫服前后部外側(cè)各設(shè)有降溫袋，采用了相變蓄冷材料作為核心部件[7]。降溫服相對于傳統(tǒng)的隔熱服具有更好的穿戴效果，舒適性也大大提高?？筛鶕?jù)降溫服原理在動力外骨骼上加入冷卻系統(tǒng)，為人體提供降溫，從而增強(qiáng)對高溫的防護(hù)。

3 高溫礦井下動力外骨骼的功能定義

3.1 適應(yīng)高溫環(huán)境作業(yè)

高溫礦井下使用的動力外骨骼，重要的一點(diǎn)就是適應(yīng)高溫環(huán)境的作業(yè)，這要求在其材料、能源、運(yùn)作方式以及外形各個(gè)方面都要考慮高溫環(huán)境的影響。高溫高濕的環(huán)境會對金屬材料的性能產(chǎn)生一定的影響，可能會減低金屬的強(qiáng)度和使用壽命。為了防止外骨骼因井下高溫產(chǎn)生形變影響運(yùn)作，應(yīng)采用耐高溫、耐腐蝕的材料。此外，高溫環(huán)境對電機(jī)、傳感器等部件的性能和安全也會產(chǎn)生影響，要確保重要電子部件不受高溫侵害。對能源的保護(hù)也是需要考慮的重要因素。動力外骨骼按動力來源分為有源和無源兩種，用于工業(yè)生產(chǎn)的外骨骼多為有源動力外骨骼。目前外骨骼的能源基本是電池組，高溫對電池的性能、壽命、安全都有著不可忽視的影響。長時(shí)間在高溫環(huán)境下使用會降低電池的性能及壽命，甚至?xí)闺姵禺a(chǎn)生膨脹、爆炸等危險(xiǎn)。所以高溫礦井下的外骨骼電池倉要具有良好的隔熱性和散熱，外部使用隔熱材料與熱環(huán)境隔離，內(nèi)部具有降溫和散熱功能，避免電池長時(shí)間處于高溫狀態(tài)，確保電池的正常運(yùn)行。

碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維，具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐高溫、抗摩擦及耐腐蝕等特性，被譽(yù)為“新材料之王”。碳纖維耐高溫，常被用于機(jī)車的排氣外殼或防燙罩。碳纖維材料質(zhì)量較輕，相同強(qiáng)度時(shí)碳纖維與鋼的重量比約為1：43，常用于航天設(shè)備及跑車輕量化套件的制造。使用碳纖維復(fù)合材料替代外骨骼支架部分的金屬材料，可以有效增加外骨骼整體的耐熱性，大大減輕裝備質(zhì)量，做到輕量化。對于無法用碳纖維替代的部件可以采用包碳工藝做隔熱處理。

3.2 個(gè)體防護(hù)功能

高溫礦井下的環(huán)境復(fù)雜，熱害和局部塌方、碎石掉落等隨時(shí)危害著工人的生命安全。外骨骼除了基本的助力功能外，還應(yīng)具有一定的防護(hù)功能，包括對高溫的防護(hù)及對意外傷害的防護(hù)。

對于高溫的防護(hù)可以參考礦用降溫服的原理，在前胸、后背等部位加入冷卻系統(tǒng)，對人體進(jìn)行降溫，或在局部位置增加風(fēng)扇進(jìn)行散熱?？梢圆捎弥悄芙禍叵到y(tǒng)，根據(jù)環(huán)境自動判斷降溫等級，當(dāng)溫度略高時(shí)開啟風(fēng)扇進(jìn)行散熱及降溫，當(dāng)溫度過高時(shí)開啟冷卻系統(tǒng)進(jìn)行快速降溫，更好地應(yīng)對不同的溫度變化，合理控制能源的消耗，達(dá)到更長的續(xù)航時(shí)間。

由于礦井下環(huán)境的不穩(wěn)定性，會發(fā)生局部塌方和碎石掉落的情況。這就要求外骨骼可以對工人的身體起到保護(hù)作用，降低傷害，提高在危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的存活率。應(yīng)在外骨骼胸部、背部、肩部處增加護(hù)甲，在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)可以有效保護(hù)重要身體部位。同時(shí)也可以在作業(yè)中對外骨骼本身起到保護(hù)作用，例如作業(yè)時(shí)工人不慎摔倒，護(hù)甲可以降低摔倒對身體的傷害，也可以減少設(shè)備的損壞。在施工作業(yè)時(shí)工人的關(guān)節(jié)容易受到傷害，應(yīng)在肘部、膝蓋處、小腿處增加柔性保護(hù)措施，在不影響靈活度的情況下防止工作中的意外傷害。

3.3 智能輔助系統(tǒng)

礦井下使用的外骨骼要比普通工業(yè)生產(chǎn)中使用的外骨骼具有更加完善和復(fù)雜的智能系統(tǒng)。外骨骼智能系統(tǒng)不僅要對工人的行動做出分析，使機(jī)械的運(yùn)動與人體達(dá)到一致，還需要增加一些相應(yīng)的功能對井下作業(yè)進(jìn)行輔助。

3.3.1 環(huán)境檢測功能

由于高溫礦井下的環(huán)境復(fù)雜，僅靠人的經(jīng)驗(yàn)和感官很難精確判斷環(huán)境中存在的問題和危險(xiǎn)。需要通過智能環(huán)境檢測，實(shí)時(shí)分析環(huán)境，發(fā)現(xiàn)環(huán)境中存在或潛在的危險(xiǎn)。例如檢測到當(dāng)前環(huán)境中存在有害氣體時(shí)會發(fā)出提醒，并啟動相應(yīng)的防護(hù)措施。

3.3.2 身體狀況監(jiān)測功能

在高溫高濕的礦井環(huán)境下，人體可能會產(chǎn)生一系列不適的反應(yīng)，外骨骼可以實(shí)時(shí)監(jiān)測工人的生理參數(shù)及身體狀態(tài)，通過后臺計(jì)算進(jìn)行評估和反饋。當(dāng)監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)人體狀態(tài)發(fā)生異常時(shí)，會及時(shí)提醒穿戴者進(jìn)行調(diào)整或治療，并將信息發(fā)送至管理部門做好相關(guān)救助準(zhǔn)備。對穿戴者實(shí)時(shí)進(jìn)行生理數(shù)據(jù)監(jiān)測，可以有效預(yù)防工人身體健康出現(xiàn)異常。

3.3.3 定位及急救功能

井下工人在工作中需要搬運(yùn)或操作一些大型設(shè)備，操作不當(dāng)或失誤可能會受傷，身上所穿戴的外骨骼裝備應(yīng)提供治療和救助的用品。通過裝備醫(yī)療包和智能系統(tǒng)的結(jié)合，語音輸入傷情，系統(tǒng)根據(jù)所攜帶的醫(yī)療用品提供最優(yōu)的急救方案，可以在最短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行初步救治。同時(shí)系統(tǒng)會將現(xiàn)場情況以及傷者情況傳送到后臺，根據(jù)傷勢通知醫(yī)療人員待命或前來救治。礦井下環(huán)境復(fù)雜，礦道交織，當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的事故或塌方時(shí)，救援工作難度很大。救援人員可以通過外骨骼的定位系統(tǒng)精確定位穿戴者位置，并與外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行連接，隨時(shí)監(jiān)測穿戴者的生命體征，為救援工作提供方便。

4 高溫礦井下動力外骨骼設(shè)計(jì)實(shí)踐

4.1 設(shè)計(jì)原則

4.1.1 功能性原則

作為輔助設(shè)備的外骨骼，最重要的就是它的功能性，除了基礎(chǔ)的助力功能外還要具有其他礦井環(huán)境下需要的輔助功能，并且要確保設(shè)備在高溫環(huán)境下可以正常發(fā)揮其各項(xiàng)功能。

4.1.2 安全性原則

安全性包括設(shè)備不會對穿戴者造成傷害，以及可以保護(hù)穿戴者免受外界傷害。在原型階段就要對設(shè)備進(jìn)行全面的安全性測試。

4.1.3 舒適性原則

外骨骼要符合人機(jī)工程學(xué)，貼合穿戴者的身體，盡量避免穿著的異物感，不影響穿戴者的正常活動。與人體表面接觸的部分要采用柔性材料，提高穿戴的舒適度。要具有可調(diào)節(jié)功能，根據(jù)佩戴者的體型進(jìn)行自由調(diào)節(jié)。

4.1.4 耐用性原則

由于礦井下環(huán)境復(fù)雜，熱害和腐蝕性氣體都會對設(shè)備造成一定的損害，要確保設(shè)備具有耐熱性和耐腐蝕性，可以長時(shí)間在復(fù)雜環(huán)境下運(yùn)行。

4.2 功能設(shè)計(jì)

利用防護(hù)降溫服的原理，在外骨骼上加入冷卻裝置以及防護(hù)裝置，具有防熱降溫功能，可減少礦井熱害對礦井工人的傷害。同時(shí)運(yùn)用耐熱材料，保證設(shè)備在高溫環(huán)境下的正常運(yùn)作。外骨骼配備了射燈、模塊化工具包以及醫(yī)療包。高穿透性射燈，可以多角度、多方位提供照明及應(yīng)急光源；模塊化工具包可以根據(jù)施工作業(yè)所需進(jìn)行組合，安裝在外骨骼的裝備槽中；醫(yī)療包內(nèi)裝有緊急治療所需的醫(yī)療用品，并可以通過智能系統(tǒng)推薦最佳治療方案。采用碳纖維復(fù)合材料，具有良好的耐高溫和散熱性，強(qiáng)度大，重量輕，有利于裝備的輕量化及耐用性。搭載智能系統(tǒng)，具有環(huán)境監(jiān)測、人體狀態(tài)監(jiān)測、緊急治療等功能，可通過語音或位于小臂處的智能終端進(jìn)行操作。

4.3 造型設(shè)計(jì)

造型方面根據(jù)人體解剖學(xué)仿照人體骨骼與肌肉的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)，外形酷似人體骨架，可以更好地貼合人體外部輪廓。整體視覺感受具有機(jī)械感和靈活性，與普通工業(yè)用外骨骼造型有明顯區(qū)別。采用輕量化設(shè)計(jì)，在較大的零件上進(jìn)行鏤空，在局部易受傷部位增加護(hù)甲，在不影響靈活性的前提下增加保護(hù)。顏色采用碳纖維原色與橙色搭配，碳纖維紋理具有科技感與高級感，無須額外上色便是一種美觀的表面紋理。橙色具有鮮明的提示性，與碳纖維材質(zhì)形成鮮明的對比，使穿戴者在井下更容易被看到，同時(shí)橙色與黑色的搭配具有工業(yè)風(fēng)格，可以很明顯地看出是一件工業(yè)裝備。整體造型和細(xì)節(jié)如圖1、圖2 所示。

圖1 外骨骼整體造型

圖2 外骨骼細(xì)節(jié)展示

5 結(jié)語

文章通過對高溫礦井下的動力外骨骼進(jìn)行功能定義和設(shè)計(jì)實(shí)踐，探索了未來礦井下外骨骼設(shè)備應(yīng)用的可能。給礦井工人裝備動力外骨骼可以有效地提高工作效率，降低工人工作的體力消耗和疲勞，保障工人安全，對工業(yè)生產(chǎn)和工人安全方面具有一定的意義。目前動力外骨骼尚存在許多技術(shù)性問題，但隨著科技的發(fā)展和智能化的不斷提高，外骨骼將不再局限于目前的應(yīng)用領(lǐng)域，使更多人能夠享受到科技發(fā)展帶來的紅利。