狹小空間內單兵外骨骼技術

【摘要】外骨骼技術對于提高工作效率、減輕單兵體力負擔以及支持復雜環境下作業具有顯著優勢，然而，針對狹小空間的專用外骨骼技術仍處于初級階段。文章對現有外骨骼技術研究現狀進行了梳理，在此基礎上針對狹小空間內單兵作業存在的問題，提出相對應的外骨骼關鍵技術及設計思路，對并狹小空間內結構驅動技術、人機協同技術和散熱降溫技術進行了深入研究。

【關鍵詞】外骨骼|狹小空間|關鍵技術

人類在文明發展過程中，通過不斷研發先進工具和體力勞動來提升效率與克服難題。盡管這些工具的進步，仍未能突破人體體能的局限和衰老帶來的體力下降，然而，外骨骼技術的出現為突破這些限制帶來了新的突破點。

一、外骨骼技術研究現狀

國內部分院校和研究機構經過十數年的努力在助力外骨骼機器人領域已經取得了一些相關成果，但由于起步較晚，始于2004年后，現仍處于跟蹤和探索階段。歐美日外骨骼技術起步較早，經過數十年的發展，逐漸成熟并完善。美國國防遠景研究計劃署（DARPA）的“增強人體機能外骨骼（exoskeletons for human performance augmentatio，EHPA）”計劃在2000年的啟動，進一步推動了外骨骼技術的發展。單兵外骨骼方面，美軍在加州特拉維斯空軍基地，展示過腰部助力外骨骼，幫助搬抬重物過程中，減輕勞動強度；最新一代的HULC外骨骼系統在加滿燃油后不僅擁有24小時的超長續航，還能夠完美同步士兵的復雜動作，其中包括深蹲、匍匐等[1]。俄軍則更加注重外骨骼系統的負重能力，其中一款由卡拉什尼科夫集團生產的外骨骼系統，可使單兵最大負重達到100公斤，可以搭載更多的大型機槍、更多數量的炮彈，甚至是導彈發射裝置。盡管外骨骼技術已經在民用和部分軍用領域取得了顯著應用，但在針對狹小空間環境的專用技術方面，特別是針對單兵在狹小空間內的應用，仍需進一步研發和完善。因此，研究針對狹小空間作業特性的關鍵外骨骼技術，優化在狹小空間內的作業方式，對于應對日益復雜和嚴峻的挑戰具有重大的現實意義。

二、狹小空間作業現狀

在狹小空間如艦船艙室、通道、設備間隙等區域，作業主要面臨以下問題：

一是日常作業中的局限性。搬運和吊放物品因空間受限，大多依賴人力，導致人員容易疲勞、效率低下。長時間進行彎腰、舉臂等動作，還可能導致腰部、肩部或頸部的永久性損傷，嚴重消耗單兵身體機能儲備。

二是維修作業的局限性。作為保持裝備正常運行的關鍵環節，維修作業對快速響應至關重要。然而，在狹小空間進行維修時，受限于無法使用大型設備、進行多人協作，往往會使維修進度變的更加緩慢、維修效果大打折扣。

三是高溫環境的危害性。由于狹窄空小內設備集中、空氣不流通，部分區域可能形成局部高溫，這會對作業人員產生諸如熱疲勞、脫水甚至中暑等健康影響。

三、關鍵鍵技術及設計思路

（一）結構驅動技術

外骨骼的機械機構一般具有良好的剛性，能夠起到支撐人體負荷的作用。通常由馬達、氣動肌肉或液壓驅動，以增強佩戴者的力量[2]。狹小空間對使用外骨骼技術的最大挑戰在于在保持輸出功率的同時，盡可能做到結構小型化。因此，應從結構、驅動、傳動和多傳感器數據融合系統等多方面進行統籌考慮。

一是結構設計。以某艦船內部空間為例，部分常態作業空間小于700mm，最窄區域僅能容納單兵躺臥操作，這就要求外骨骼設計必須緊湊。為此，可以采用輕量化履帶傳動機構與一體式設計，將電機驅動、傳動單元和外殼融為一體。這種設計不僅使得設備具有更緊湊的尺寸和結構，方便單兵在狹小空間內穿戴，而且不會妨礙單兵的正常移動。

二是驅動設計。外骨骼的驅動技術同樣是關鍵技術之一，驅動方式的選擇決定了外骨骼的體積、扭矩、功率重量比等。驅動主要有三種方式：電機驅動、液壓驅動和氣動驅動[3]。考慮到狹小空間環境，采用伺服電機驅動控制方式較為合適。伺服電機有著控制簡便、運動精度高、響應迅速等優勢，它能幫助系統減輕重量、減少振動、增強穩定性，且具備信號監測、處理功能，其控制系統也已相當成熟，可以有效執行技術動作。

三是傳動設計。常見的外骨骼傳動方式是將電機與關節直接連接，配合減速器、齒輪齒條或滾珠絲桿等組件實現驅動。然而，這樣可能會增加機構的復雜性和重量負載，同時限制

了靈活性。在空間有限的情況下，鮑登線傳動方式（Bowden cable driven）是一個更優的選擇。它通過直接力矩傳遞，與傳統的定向鋼絲繩傳動的顯著區別在于無需額外的定位導向輪，簡化了傳動結構。鋼絲繩與傳動輪或驅動輪直接接觸，降低了摩擦，提高了傳動效率。

（二）人機協同技術

在合理設計結構驅動的基礎上，應進一步提高設備的人機協同性，提升設備的智能化水平。

一是智能控制設計。可在外骨骼末端設置多個工作狀態按鈕，分別對應力學跟隨控制模式、力阻抗助力模式、鎖定模式等三種主要工作狀態。當外骨骼處于跟隨控制模式時，基于人機交互信息獲取人體意圖，驅動系統柔順跟蹤人體意圖，實現位置跟蹤；通過離散數據采集模塊采集力傳感器信號進行濾波，通過設定的力位轉換矩陣，得到末端姿態，末端姿態作為控制的理想輸入姿態，基于運動學逆解，得到上肢、腰部外骨骼關節空間的目標姿態。當外骨骼處于力阻抗助力模式時，傳感器獲得人體的運動的力學數據和位姿數據，控制電機做出相應的輸出，遠端跟隨人體運動，并實現電機助力或者阻力模式，從端自動捕捉主端姿態，實現搬運重物助力動作。當外骨骼處于鎖定模式時，控制器不再下發指令到伺服系統，電機保持當前位置。

二是檔位設計。應根據作業對象合理設置檔位力度的反饋，如設置10kg/20kg/30kg三擋力度和10ms/100ms/300ms三擋反應時間，配合作業人員結合自身體能和習慣靈活調整。

（三）散熱降溫技術

狹小空間內高溫外部環境熱量，與長時間作業代謝產生內部熱量相疊加，會使人體內熱量迅速增加，這種熱量的迅速增加進而會限制人體的熱穩態，并導致各種直接疾病。因此，外骨骼的穿戴需考慮在易于散熱的基礎上，增加主動降溫模塊，將高溫影響降到最低。

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

二是主動降溫設計。主動（active）降溫技術溫技術是一種利用外部能源來幫助控制人體溫度的技術，通常需要額外的設備或系統來實現熱量轉移。現有的主動降溫技術主要通過氣冷式、液冷式、相變材料式和微型風扇式四種方式進行降溫，綜合考慮狹小空間場景和外骨骼結構，應選用更為先進的半導體熱電制冷技術，利用半導體材料的帕爾貼效應（Peltiereffect）實現熱量的轉換調節，使降溫模塊具備體積小，重量輕，無噪音，可靠性高，適用環境廣等優點。

四、結語

綜上所述，外骨骼技術在提升單兵工作效率、減輕體力負擔和支持復雜環境下作業等方面，展現了巨大的潛力。然而，針對狹小空間環境的專用外骨骼技術研究還處于初級階段，有待進一步研發和完善。對于狹小空間作業，結構驅動技術、人機協同技術和散熱降溫技術是關鍵要素。結構驅動技術需要兼顧緊湊性和靈活性，而人機協同技術則通過智能控制、檔位設計和數據跟蹤系統提高設備的智能化水平。散熱降溫技術則需要關注靜態散熱和主動降溫策略，以確保在高溫環境下作業人員的安全與舒適。通過持續投入研發，我們有望開發出適合于各種復雜環境的高效外骨骼系統，為應對不斷增長的挑戰提供支持。中國軍轉民

參考文獻

[1]頡翔宇，周利坤，司玉昌.軍用動力外骨骼的發展現狀及關鍵技術綜述[J].兵工自動化，2022，41（2）：14-20.

[2]JIANG W， MA B B， ZHANG X M， et al. Overview of lower extremity exoskeleton technology [J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2021，714（3）：032027.

[3]胡恒心，于旭東.智能上肢外骨骼機器人研究進展與展望[J].人工智能，2023（6）：43-58.

（作者簡介：李奕龍，海軍潛艇學院訓練基地，講師，專業技術中校，本科，研究方向為海軍裝備，教育）