單兵外骨骼裝備技術簡介

葛水平楊陳君陳耀凱

（1.云南嶺東印刷包裝有限公司，云南 楚雄 675002；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074）

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單兵外骨骼裝備技術簡介

葛水平1楊陳君2陳耀凱1

（1.云南嶺東印刷包裝有限公司，云南 楚雄 675002；2.華中科技大學，湖北 武漢 430074）

摘 要：當前世界上很多國家，為了應對不斷變化的軍事變革，都在大力提升自己的單兵作戰能力，而這就要依托于先進的武器裝備，使得士兵的負重也大大增加，增大了作戰難度。而外骨骼裝備的出現及應用將改變這種局面。它不但可以增強士兵的負重能力，是一個非常不錯的武器搭載平臺，同時可以提升士兵的機動性和防御能力。因此外骨骼技術作為一項前沿科技，勢必在未來戰場上起到很大的作用，具有十分廣闊的應用前景。

關鍵詞：單兵系統；外骨骼；應用前景

一、外骨骼技術介紹

外骨骼（Exoskeleton）這一名詞，來源于生物學昆蟲和殼類動物的堅硬外殼，它是一種能夠提供對生物柔軟內部器官進行構型，建筑和保護的堅硬的外部結構。人體外骨骼系統是一個穿戴在操作者身體外部的：“機器人”他能對穿戴者提供支撐保護的同時還可以為人體提供額外的動力和感知能力，可以大大地增加人體機能。

外骨骼技術是人體與機器的完美融合，穿戴者和外骨骼成為了一個閉環的協同系統。機器通過多種傳感器實時感知穿戴者的運動狀態和運動意圖，并進行實時分析，快速做出反應，以實現人機多自由度、多運動狀態的運動輔助，并對穿戴者的行為運動進行放大，提升人體機能。

（一）單兵外骨骼技術的研究背景

未來戰爭，越來越趨近小型化、特種化，所以單兵作戰能力就顯得越來越重要，戰場上要求士兵擁有超強的作戰能力及偵查能力，但是有時候受到地形、負重等因素的限制，人體機能的極限已經無法適應瞬息萬變的戰場情況。在這種情況下，能夠提高士兵身體機能的外骨骼裝備就成為解決這個問題的最好方案。

（二）國內外研究現狀

目前，大多數國家對于外骨骼的研究都還屬于初步階段，比較先進的有美國和日本。而我國對外骨骼領域的探索比較晚，但隨著外骨骼機器人在社會上的需求量不斷增大，我國也在這個領域投入了比較大的研究力量，也取得了一些成果。近年來的代表成果有伯克利大學的BLEEX系統，雷神公司的XOS2系統，還有國內自主研發的中國單兵外骨骼系統。下面就一一簡單介紹。

1. 伯克利大學的BLEEX系統

BLEEX系統是伯克利大學設計研發的一款人體外骨骼系統（圖1）。它主要由燃料供給及發動機系統、控制及檢測系統、液壓傳動系統及外骨骼機構等構成，穿戴者要通過傳動帶將自身的腿與機械外骨骼的腿相連，背上要背一個裝有發動機、控制系統的大背包，穿戴者進行運動的時候，位于腿部的傳感器會搜集運動信號，并實時做出反應，通過液壓系統為外骨骼系統提供動力，從而達到運動輔助的功能，此裝置的最大負重是32kg，但是對于穿戴者來說，他只感到背負了2kg一樣，這可以大大提升士兵的負重能力。但是對于戰場使用來說，這個裝置體積過大，對使用者的行動有所限制，導致使用環境受到限制，可靠性和自持能力還有待提高，因此作為軍事用途還遠遠不能達到要求。

2. 雷神公司的XOS2系統

XOS2系統（圖2）是美國某公司開發的第二代外骨骼裝置，它由一系列結構、傳感器、傳動裝置以及控制器構成，由高壓液壓驅動。相對于伯克利大學的BLEEX系統來說，這個系統更像是一個全身外骨骼。借助于XOS2，穿戴者可輕松將90kg的重物舉起幾百次，同時不會感到疲勞，此外還可重復擊穿約合7.62cm厚的木板。除此之外，穿著者還能靈活運動，可以進行諸如俯臥撐、爬樓梯、踢足球等復雜運動。但它最大的缺陷就是要拖著一條外接電纜。而自帶電池只夠使用40分鐘，所以還需要解決的問題還有很多。

3. 中國單兵外骨骼系統

中國單兵外骨骼系統（圖3）是由中國兵器集團某研究所研制的外骨骼系統，它的額定背負是35kg，額定搬運是50kg，在背負35kg的情況下，平地步速4.5km/h，平地行走續航里程20km。該新型外骨骼若裝備部隊，可提高高原部隊的單兵負重量，提升單兵偵查能力，可執行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務。

（三）外骨骼裝置的結構與原理

外骨骼裝置主要包括機械外框架、感知系統、控制系統、通信計算系統、執行機構和能源動力6大部件。結構如圖4所示。

1. 仿形機械結構裝置：采用仿生技術和先進制造技術打造出的外骨骼外框架，能與人體完美結合，同時具有高強度、質量輕等優點，輕質與堅韌的實現需要高強度多功能一體化的復合材料，新材料應具有綜合力學性能優異、可設計性強、一次成型等優點，舒適性要求最小化穿戴者運動時的約束感，應該依照仿生學原理，根據人體外形設計出合適的結構，同時外骨骼應有應急保護機制，在出現故障時能輕松脫下。

2. 智能感知系統：通過多傳感器和數據融合系統感知穿戴者的運動姿態和生理狀態，同時預測穿戴者的運動意圖，人體的運動狀態是非常復雜的，每時每刻都不停地在變化，所以就需要傳感器能夠快速且精準地感受當前的運動狀態，需要綜合使用多種傳感器，例如慣性傳感器、肌電傳感器、薄膜傳感器和光纖傳感器等。

3. 控制系統：對傳感器檢測回來的數據進行處理，針對穿戴者的運動需求，通過隨動控制技術實現外骨骼的多自由度、助力隨動的目的，要求控制系統不僅能準確快速地分析多種信號，識別出穿戴者當時的運動狀態，并且能夠根據外環境做出相應地響應，對行動進行預測。

4. 通信計算系統：為各系統提供計算和通信處理平臺。

5. 執行機構：跟隨控制系統傳來的信號，根據關節動力學，綜合應用電機、液壓、氣壓等驅動方式，實現高功率小型化的驅動助力，同時可以開發新的驅動方式，比如模擬人體肌肉的運動模式，開發出能自動力的高效動力機構。

6. 能源系統：為各個系統提供能源，外骨骼裝備要求能源系統具有高效便攜安全，可以使用高效能源電池，或者多種能源混合使用，如太陽能風能等，甚至可以開發便攜式核能源。

其工作原理一般為：根據仿生學、動力學等原理，設計機械機構組成外骨骼框架；在人體和外骨骼系統中安防各種傳感器，如在關節部位安裝角度傳感器，在足底等支撐位置安裝壓力傳感器，在人體皮膚上安裝生理信號傳感器，實時感知人體的運動信息和生理信息；傳輸到嵌入式計算機中，計算機綜合各傳感信息，并通過相應的感知和預測算法，感知人體姿態并對運動做出預測；控制系統綜合各種信息，將之轉化為控制參數，驅動外骨骼框架運動，實時追蹤人體運動并對人體運動提供高效的助力。最終能達到人機一體化。

二、外骨骼裝備現在存在的缺陷與不足

現在已經有好幾個國家都做出了自己的外骨骼裝備，有的已經在應用于部隊。但是還是有許多明顯的問題：BLEEX裝置由于其能耗過大，穿戴者長時間使用會導致膝蓋不適，因此并未獲得進一步地資助；XOS2系統因為自帶電池只能用40分鐘，導致其始終離不開地面供電，因此至今也未投入使用。現階段的外骨骼裝備尚存在以下幾點不足：

1. 能源：外骨骼裝備要求高效長久輕便安全的能源供給，現階段的能源還做不到這一點，需要開發設計出續航時間長、質量功率比高、安全性能符合要求的專用動力輸出能源，另一方面應該盡量減少機械部分的能源消耗，通過智能化管理實現能源的高效管理和利用。

2. 機械結構不夠擬人化：機械結構的設計需要滿足輕質、舒適、堅韌和承力的要求，可以應用新型復合材料作為外骨骼的主要框架，在提升強度的同時減輕質量。舒適性不僅是穿戴后人體靜止的感受，更重要的是減少人體運動時的約束感，對于單兵系統中的應用，還要求具有良好的便攜性，同時方便穿戴和脫下。

3. 人機接口技術不完善：外骨骼技術的核心就是人機完美結合，機器要能準確地了解穿戴者的運動和運動趨勢并在短時間內做出反應，由于人體的關節系統非常復雜，需要應用大量的傳感器，對準確性要求非常大，而且要依靠先進的算法快速做出分析并做出反應。

4. 驅動機構技術：驅動技術就好比外骨骼的“肌肉”，是外骨骼裝備中提供動力的裝置，需要綜合運用液壓、氣壓和電動等多種驅動方式，這3種方式各有利弊，所以要根據各個關節動力學的情況，全面綜合應用各種驅動方式，實現快速精確地響應。

三、外骨骼裝備在單兵系統中的應用展望

外骨骼技術可以大大增強士兵的負重能力，從而可以攜帶更多的武器裝備；可以提升士兵的防御力，因為機械的承載能力遠遠超過人體，如果再加上適合單兵的復合材料裝甲，將會將單兵防御能力提升到一個新的水平；它可以提高士兵的機動能力，可以讓士兵快速地到達戰場的任何角落，甚至在將來，飛行能力也被集成到外骨骼裝備中，這將大大提高單兵的機動能力，還可以提升戰場感知能力，可以在外骨骼上加裝傳感器系統，以加強士兵的戰場態勢感知能力，還可以加裝衛星通信和定位裝置，使每個士兵都成為一個網絡通信節點，可以使士兵更好地應對復雜的戰場環境。這些優點都說明外骨骼裝備將在未來戰場上具有廣闊的應用前景。

目前擺在需要解決的問題還有很多，未來的外骨骼需要更加巨大的能源，更先進的操控，更敏感的傳感器，更加先進的設計，這些與先進武器裝備相結合，會使普通士兵變成可以在負載很多的情況下也可以快速運動的超級戰士，那么可以想象這樣的士兵會是多么恐怖。

結語

外骨骼作為一項可以大幅度提高單兵作戰能力的技術，可以很好地適應未來的戰場格局。現在外骨骼技術在雖然發展迅速，但是仍有許多問題需要解決。目前各國都在加緊研究外骨骼技術，以提升自己的單兵作戰能力，相信不遠的將來就會有更多更加先進的外骨骼裝備。

參考文獻

［1］張向剛.人體外骨骼技術綜述［A］.成都，電子科技大學，2015，4-5.

［2］牛貴君.美軍外骨骼裝備研究及應用［J］.廣州，軍事體育應用研究中心，2013，94.

［3］邢凱.外骨骼機器人的研究現狀及發展趨勢［J］.醫療衛生裝備，2015：106-107.

［4］ Ryan Steger， Control Scheme and Networked Control Architecture for the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton （BLEEX）， Berkeley， CA 94720， USA，University of California， Berkeley， 2006.

［5］王人成.國內外助行動力外骨骼研究進展［A］.北京，清華大學摩擦學國家重點實驗室智能生物機械分室，201926-927.

［6］李會營.外骨骼裝備在未來單兵系統中的應用前景［D］.太原，中北大學，2012，275-276.

中圖分類號：TP311

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