高溫礦井下動力外骨骼功能定義及設(shè)計實踐

中國礦業(yè)大學 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)實生活中。動力外骨骼又稱作機械外骨骼、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人體機能，將機器的力量與人結(jié)合[1]。高溫礦井下環(huán)境復雜，熱害以及塌方危險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功能以及改良，可以提高工人的工作效率并保護其人身安全。

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)進行實時監(jiān)測以及反饋。

外骨骼在醫(yī)療領(lǐng)域主要用于運動功能障礙患者的肢體康復訓練以及日常的運動輔助。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動功能障礙患者步行訓練的新手段[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運動能力。目前較成功的康復外骨骼是以色列埃爾格醫(yī)學技術(shù)公司研制的Rewalk 康復下肢外骨骼，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老年人的肌力差，幫助癱瘓及活動不便的老人進行翻身、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，生產(chǎn)工人經(jīng)常一天需要提起總重達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度作業(yè)，還不會產(chǎn)生過多的疲勞，同時也保護了工人的關(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 項目的研究人員開發(fā)出一種外骨骼，工人穿戴它進行搬運、抬舉重物時身體所負荷的重量只有實際重量的十分之一，可大大減輕工人搬運物品時的體力消耗。

2 高溫礦井環(huán)境及個體防護技術(shù)

2.1 高溫礦井環(huán)境

隨著對礦產(chǎn)資源需要的進一步增加，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，導致礦井下高溫熱害更加嚴重[6]。高溫礦井下環(huán)境最突出的特點就是高溫高濕。礦井下的空間較為封閉，熱量難以及時散出，導致礦井下環(huán)境長時間保持高溫高濕的狀態(tài)。礦井熱害是指井下風流的溫度、濕度、風速達到一定狀態(tài)后，人體散熱困難，感到悶熱，進而出現(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熱、機電設(shè)備以及其他熱源。礦井熱害嚴重威脅著井下作業(yè)的進行和礦工的生命安全，并會造成嚴重的經(jīng)濟損失。

高溫環(huán)境會加速人的身體代謝，導致大量排汗、排尿，增加身體的疲勞以及導致脫水。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)的正常運作，導致身體不適、運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、緊張等一系列負面情緒，如果不加以正確的疏導，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，當工人的心理處于不穩(wěn)定的狀態(tài)時，也會影響到身體機能。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 高溫礦井個體防護技術(shù)

礦工在礦井熱害環(huán)境（高溫、高濕、高粉塵）下，通過個人防護技術(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)以人機工程學、防護服裝功能學、生理學為指導，解決高溫礦井下個人防護技術(shù)問題，從而設(shè)計出適合礦井高溫環(huán)境下的個人防護裝備。高溫環(huán)境下的防護裝備具有以下特性：

2.2.1 阻燃性

部分礦井下存在可燃氣體，易產(chǎn)生燃燒、爆炸等危險，防護裝備首先應(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裝備，隔熱性是重要的特性之一。礦井工人長時間處于高溫環(huán)境下，外界熱量以熱對流、熱輻射和熱傳導至人體，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間在高溫環(huán)境下進行施工作業(yè)。

2.2.3 完整性

完整性是指熱防護服在高溫下能夠保持織物原有的外觀形態(tài)，且防護性能保持穩(wěn)定。完整性要求防護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，導致外界熱量進入防護服內(nèi)部，影響防護性能。

2.2.4 舒適性

高溫環(huán)境下的防護裝備應(yīng)具有輕便、有彈性、穿著舒適等特點。工人需要穿著防護裝備進行長時間、高強度的工作，如果裝備穿著的舒適度不達標，會影響工人的心情以及工作精度，同時也會引起身體的不適，增加疲勞感等。另外，長時間處于復雜環(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。

目前常見的個人高溫防護降溫服，是在防護服的基礎(chǔ)上增加冷卻系統(tǒng)，通過冷卻系統(tǒng)吸收人體產(chǎn)熱量，使人體在穿防護服的期間不至于因蓄存過多熱量而中暑[8]。熱防護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。礦用高溫個體防護技術(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，從而增強對高溫的防護。

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，重要的一點就是適應(yīng)高溫環(huán)境的作業(yè)，這要求在其材料、能源、運作方式以及外形各個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)生形變影響運作，應(yīng)采用耐高溫、耐腐蝕的材料。此外，高溫環(huán)境對電機、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。長時間在高溫環(huán)境下使用會降低電池的性能及壽命，甚至會使電池產(chǎn)生膨脹、爆炸等危險。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，避免電池長時間處于高溫狀態(tài)，確保電池的正常運行。

碳纖維是由碳元素組成的一種特種纖維，具有強度高、質(zhì)量輕、耐高溫、抗摩擦及耐腐蝕等特性，被譽為“新材料之王”。碳纖維耐高溫，常被用于機車的排氣外殼或防燙罩。碳纖維材料質(zhì)量較輕，相同強度時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 個體防護功能

高溫礦井下的環(huán)境復雜，熱害和局部塌方、碎石掉落等隨時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)具有一定的防護功能，包括對高溫的防護及對意外傷害的防護。

對于高溫的防護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)，對人體進行降溫，或在局部位置增加風扇進行散熱?？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，當溫度略高時開啟風扇進行散熱及降溫，當溫度過高時開啟冷卻系統(tǒng)進行快速降溫，更好地應(yīng)對不同的溫度變化，合理控制能源的消耗，達到更長的續(xù)航時間。

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作用，降低傷害，提高在危險發(fā)生時的存活率。應(yīng)在外骨骼胸部、背部、肩部處增加護甲，在發(fā)生危險時可以有效保護重要身體部位。同時也可以在作業(yè)中對外骨骼本身起到保護作用，例如作業(yè)時工人不慎摔倒，護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，使機械的運動與人體達到一致，還需要增加一些相應(yīng)的功能對井下作業(yè)進行輔助。

3.3.1 環(huán)境檢測功能

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

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)，外骨骼可以實時監(jiān)測工人的生理參數(shù)及身體狀態(tài)，通過后臺計算進行評估和反饋。當監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)人體狀態(tài)發(fā)生異常時，會及時提醒穿戴者進行調(diào)整或治療，并將信息發(fā)送至管理部門做好相關(guān)救助準備。對穿戴者實時進行生理數(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或操作一些大型設(shè)備，操作不當或失誤可能會受傷，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，可以在最短的時間內(nèi)進行初步救治。同時系統(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)境復雜，礦道交織，當發(fā)生嚴重的事故或塌方時，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)進行連接，隨時監(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)計實踐

4.1 設(shè)計原則

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，以及可以保護穿戴者免受外界傷害。在原型階段就要對設(shè)備進行全面的安全性測試。

4.1.3 舒適性原則

外骨骼要符合人機工程學，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?；顒?。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)佩戴者的體型進行自由調(diào)節(jié)。

4.1.4 耐用性原則

由于礦井下環(huán)境復雜，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，可以長時間在復雜環(huán)境下運行。

4.2 功能設(shè)計

利用防護降溫服的原理，在外骨骼上加入冷卻裝置以及防護裝置，具有防熱降溫功能，可減少礦井熱害對礦井工人的傷害。同時運用耐熱材料，保證設(shè)備在高溫環(huán)境下的正常運作。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。采用碳纖維復合材料，具有良好的耐高溫和散熱性，強度大，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行操作。

4.3 造型設(shè)計

造型方面根據(jù)人體解剖學仿照人體骨骼與肌肉的分布進行設(shè)計，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，在較大的零件上進行鏤空，在局部易受傷部位增加護甲，在不影響靈活性的前提下增加保護。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，同時橙色與黑色的搭配具有工業(yè)風格，可以很明顯地看出是一件工業(yè)裝備。整體造型和細節(jié)如圖1、圖2 所示。

圖1 外骨骼整體造型

圖2 外骨骼細節(jié)展示

5 結(jié)語

文章通過對高溫礦井下的動力外骨骼進行功能定義和設(shè)計實踐，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。