狹小空間內(nèi)單兵外骨骼技術(shù)

【摘要】外骨骼技術(shù)對(duì)于提高工作效率、減輕單兵體力負(fù)擔(dān)以及支持復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)具有顯著優(yōu)勢(shì)，然而，針對(duì)狹小空間的專(zhuān)用外骨骼技術(shù)仍處于初級(jí)階段。文章對(duì)現(xiàn)有外骨骼技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了梳理，在此基礎(chǔ)上針對(duì)狹小空間內(nèi)單兵作業(yè)存在的問(wèn)題，提出相對(duì)應(yīng)的外骨骼關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)思路，對(duì)并狹小空間內(nèi)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、人機(jī)協(xié)同技術(shù)和散熱降溫技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

【關(guān)鍵詞】外骨骼|狹小空間|關(guān)鍵技術(shù)

人類(lèi)在文明發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)不斷研發(fā)先進(jìn)工具和體力勞動(dòng)來(lái)提升效率與克服難題。盡管這些工具的進(jìn)步，仍未能突破人體體能的局限和衰老帶來(lái)的體力下降，然而，外骨骼技術(shù)的出現(xiàn)為突破這些限制帶來(lái)了新的突破點(diǎn)。

一、外骨骼技術(shù)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)部分院校和研究機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)十?dāng)?shù)年的努力在助力外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了一些相關(guān)成果，但由于起步較晚，始于2004年后，現(xiàn)仍處于跟蹤和探索階段。歐美日外骨骼技術(shù)起步較早，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，逐漸成熟并完善。美國(guó)國(guó)防遠(yuǎn)景研究計(jì)劃署（DARPA）的“增強(qiáng)人體機(jī)能外骨骼（exoskeletons for human performance augmentatio，EHPA）”計(jì)劃在2000年的啟動(dòng)，進(jìn)一步推動(dòng)了外骨骼技術(shù)的發(fā)展。單兵外骨骼方面，美軍在加州特拉維斯空軍基地，展示過(guò)腰部助力外骨骼，幫助搬抬重物過(guò)程中，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；最新一代的HULC外骨骼系統(tǒng)在加滿(mǎn)燃油后不僅擁有24小時(shí)的超長(zhǎng)續(xù)航，還能夠完美同步士兵的復(fù)雜動(dòng)作，其中包括深蹲、匍匐等[1]。俄軍則更加注重外骨骼系統(tǒng)的負(fù)重能力，其中一款由卡拉什尼科夫集團(tuán)生產(chǎn)的外骨骼系統(tǒng)，可使單兵最大負(fù)重達(dá)到100公斤，可以搭載更多的大型機(jī)槍、更多數(shù)量的炮彈，甚至是導(dǎo)彈發(fā)射裝置。盡管外骨骼技術(shù)已經(jīng)在民用和部分軍用領(lǐng)域取得了顯著應(yīng)用，但在針對(duì)狹小空間環(huán)境的專(zhuān)用技術(shù)方面，特別是針對(duì)單兵在狹小空間內(nèi)的應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研發(fā)和完善。因此，研究針對(duì)狹小空間作業(yè)特性的關(guān)鍵外骨骼技術(shù)，優(yōu)化在狹小空間內(nèi)的作業(yè)方式，對(duì)于應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、狹小空間作業(yè)現(xiàn)狀

在狹小空間如艦船艙室、通道、設(shè)備間隙等區(qū)域，作業(yè)主要面臨以下問(wèn)題：

一是日常作業(yè)中的局限性。搬運(yùn)和吊放物品因空間受限，大多依賴(lài)人力，導(dǎo)致人員容易疲勞、效率低下。長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行彎腰、舉臂等動(dòng)作，還可能導(dǎo)致腰部、肩部或頸部的永久性損傷，嚴(yán)重消耗單兵身體機(jī)能儲(chǔ)備。

二是維修作業(yè)的局限性。作為保持裝備正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，維修作業(yè)對(duì)快速響應(yīng)至關(guān)重要。然而，在狹小空間進(jìn)行維修時(shí)，受限于無(wú)法使用大型設(shè)備、進(jìn)行多人協(xié)作，往往會(huì)使維修進(jìn)度變的更加緩慢、維修效果大打折扣。

三是高溫環(huán)境的危害性。由于狹窄空小內(nèi)設(shè)備集中、空氣不流通，部分區(qū)域可能形成局部高溫，這會(huì)對(duì)作業(yè)人員產(chǎn)生諸如熱疲勞、脫水甚至中暑等健康影響。

三、關(guān)鍵鍵技術(shù)及設(shè)計(jì)思路

（一）結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

外骨骼的機(jī)械機(jī)構(gòu)一般具有良好的剛性，能夠起到支撐人體負(fù)荷的作用。通常由馬達(dá)、氣動(dòng)肌肉或液壓驅(qū)動(dòng)，以增強(qiáng)佩戴者的力量[2]。狹小空間對(duì)使用外骨骼技術(shù)的最大挑戰(zhàn)在于在保持輸出功率的同時(shí)，盡可能做到結(jié)構(gòu)小型化。因此，應(yīng)從結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)等多方面進(jìn)行統(tǒng)籌考慮。

一是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以某艦船內(nèi)部空間為例，部分常態(tài)作業(yè)空間小于700mm，最窄區(qū)域僅能容納單兵躺臥操作，這就要求外骨骼設(shè)計(jì)必須緊湊。為此，可以采用輕量化履帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一體式設(shè)計(jì)，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)單元和外殼融為一體。這種設(shè)計(jì)不僅使得設(shè)備具有更緊湊的尺寸和結(jié)構(gòu)，方便單兵在狹小空間內(nèi)穿戴，而且不會(huì)妨礙單兵的正常移動(dòng)。

二是驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。外骨骼的驅(qū)動(dòng)技術(shù)同樣是關(guān)鍵技術(shù)之一，驅(qū)動(dòng)方式的選擇決定了外骨骼的體積、扭矩、功率重量比等。驅(qū)動(dòng)主要有三種方式：電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)[3]?？紤]到狹小空間環(huán)境，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制方式較為合適。伺服電機(jī)有著控制簡(jiǎn)便、運(yùn)動(dòng)精度高、響應(yīng)迅速等優(yōu)勢(shì)，它能幫助系統(tǒng)減輕重量、減少振動(dòng)、增強(qiáng)穩(wěn)定性，且具備信號(hào)監(jiān)測(cè)、處理功能，其控制系統(tǒng)也已相當(dāng)成熟，可以有效執(zhí)行技術(shù)動(dòng)作。

三是傳動(dòng)設(shè)計(jì)。常見(jiàn)的外骨骼傳動(dòng)方式是將電機(jī)與關(guān)節(jié)直接連接，配合減速器、齒輪齒條或滾珠絲桿等組件實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。然而，這樣可能會(huì)增加機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性和重量負(fù)載，同時(shí)限制

了靈活性。在空間有限的情況下，鮑登線傳動(dòng)方式（Bowden cable driven）是一個(gè)更優(yōu)的選擇。它通過(guò)直接力矩傳遞，與傳統(tǒng)的定向鋼絲繩傳動(dòng)的顯著區(qū)別在于無(wú)需額外的定位導(dǎo)向輪，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。鋼絲繩與傳動(dòng)輪或驅(qū)動(dòng)輪直接接觸，降低了摩擦，提高了傳動(dòng)效率。

（二）人機(jī)協(xié)同技術(shù)

在合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，應(yīng)進(jìn)一步提高設(shè)備的人機(jī)協(xié)同性，提升設(shè)備的智能化水平。

一是智能控制設(shè)計(jì)?？稍谕夤趋滥┒嗽O(shè)置多個(gè)工作狀態(tài)按鈕，分別對(duì)應(yīng)力學(xué)跟隨控制模式、力阻抗助力模式、鎖定模式等三種主要工作狀態(tài)。當(dāng)外骨骼處于跟隨控制模式時(shí)，基于人機(jī)交互信息獲取人體意圖，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)柔順跟蹤人體意圖，實(shí)現(xiàn)位置跟蹤；通過(guò)離散數(shù)據(jù)采集模塊采集力傳感器信號(hào)進(jìn)行濾波，通過(guò)設(shè)定的力位轉(zhuǎn)換矩陣，得到末端姿態(tài)，末端姿態(tài)作為控制的理想輸入姿態(tài)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，得到上肢、腰部外骨骼關(guān)節(jié)空間的目標(biāo)姿態(tài)。當(dāng)外骨骼處于力阻抗助力模式時(shí)，傳感器獲得人體的運(yùn)動(dòng)的力學(xué)數(shù)據(jù)和位姿數(shù)據(jù)，控制電機(jī)做出相應(yīng)的輸出，遠(yuǎn)端跟隨人體運(yùn)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)電機(jī)助力或者阻力模式，從端自動(dòng)捕捉主端姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)重物助力動(dòng)作。當(dāng)外骨骼處于鎖定模式時(shí)，控制器不再下發(fā)指令到伺服系統(tǒng)，電機(jī)保持當(dāng)前位置。

二是檔位設(shè)計(jì)。應(yīng)根據(jù)作業(yè)對(duì)象合理設(shè)置檔位力度的反饋，如設(shè)置10kg/20kg/30kg三擋力度和10ms/100ms/300ms三擋反應(yīng)時(shí)間，配合作業(yè)人員結(jié)合自身體能和習(xí)慣靈活調(diào)整。

（三）散熱降溫技術(shù)

狹小空間內(nèi)高溫外部環(huán)境熱量，與長(zhǎng)時(shí)間作業(yè)代謝產(chǎn)生內(nèi)部熱量相疊加，會(huì)使人體內(nèi)熱量迅速增加，這種熱量的迅速增加進(jìn)而會(huì)限制人體的熱穩(wěn)態(tài)，并導(dǎo)致各種直接疾病。因此，外骨骼的穿戴需考慮在易于散熱的基礎(chǔ)上，增加主動(dòng)降溫模塊，將高溫影響降到最低。

一是靜態(tài)散熱設(shè)計(jì)。靜態(tài)（static）散熱是最直接的、易于制造的、可持續(xù)的并且具有成本效益的一種人體熱量控制技術(shù)。外骨骼所有與人體接觸面的材料，如肩部、腹部軟包，應(yīng)使用透氣親膚材質(zhì)布料，減少人體肌膚接觸時(shí)的異物感和摩擦感；中間填充層應(yīng)采用透氣性好的軟質(zhì)布料，外層使用網(wǎng)格狀透氣面料，將人體產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)至空氣中，提高穿戴后舒適感。

二是主動(dòng)降溫設(shè)計(jì)。主動(dòng)（active）降溫技術(shù)溫技術(shù)是一種利用外部能源來(lái)幫助控制人體溫度的技術(shù)，通常需要額外的設(shè)備或系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移。現(xiàn)有的主動(dòng)降溫技術(shù)主要通過(guò)氣冷式、液冷式、相變材料式和微型風(fēng)扇式四種方式進(jìn)行降溫，綜合考慮狹小空間場(chǎng)景和外骨骼結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用更為先進(jìn)的半導(dǎo)體熱電制冷技術(shù)，利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)（Peltiereffect）實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)換調(diào)節(jié)，使降溫模塊具備體積小，重量輕，無(wú)噪音，可靠性高，適用環(huán)境廣等優(yōu)點(diǎn)。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，外骨骼技術(shù)在提升單兵工作效率、減輕體力負(fù)擔(dān)和支持復(fù)雜環(huán)境下作業(yè)等方面，展現(xiàn)了巨大的潛力。然而，針對(duì)狹小空間環(huán)境的專(zhuān)用外骨骼技術(shù)研究還處于初級(jí)階段，有待進(jìn)一步研發(fā)和完善。對(duì)于狹小空間作業(yè)，結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)、人機(jī)協(xié)同技術(shù)和散熱降溫技術(shù)是關(guān)鍵要素。結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)技術(shù)需要兼顧緊湊性和靈活性，而人機(jī)協(xié)同技術(shù)則通過(guò)智能控制、檔位設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)跟蹤系統(tǒng)提高設(shè)備的智能化水平。散熱降溫技術(shù)則需要關(guān)注靜態(tài)散熱和主動(dòng)降溫策略，以確保在高溫環(huán)境下作業(yè)人員的安全與舒適。通過(guò)持續(xù)投入研發(fā)，我們有望開(kāi)發(fā)出適合于各種復(fù)雜環(huán)境的高效外骨骼系統(tǒng)，為應(yīng)對(duì)不斷增長(zhǎng)的挑戰(zhàn)提供支持。中國(guó)軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

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（作者簡(jiǎn)介：李奕龍，海軍潛艇學(xué)院訓(xùn)練基地，講師，專(zhuān)業(yè)技術(shù)中校，本科，研究方向?yàn)楹＼娧b備，教育）