探究外骨骼技術(shù)在現(xiàn)代消防救援領(lǐng)域的應(yīng)用

馮帥頎 楊庭瑞 崔啟煜

摘要：為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，對(duì)消防救援隊(duì)伍的救援能力提出了更高的要求，而這就要依托于先進(jìn)的消防裝備，使得消防員的負(fù)重也大大增加，增大了救援難度。而外骨骼裝備的出現(xiàn)及應(yīng)用將改變這種局面，它不但可以增強(qiáng)消防員的負(fù)重能力，同時(shí)可以提升消防員的機(jī)動(dòng)性和防御能力。因此外骨骼技術(shù)作為一項(xiàng)前沿科技，勢必在未來的滅火救援上起到很大的作用，在現(xiàn)代消防救援領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：外骨骼;消防應(yīng)用;人機(jī)耦合;機(jī)器人;核心技術(shù)

人們常說的外骨骼技術(shù)指的是對(duì)人類的身體進(jìn)行模仿、可以穿戴在人的身上。在人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的過程中，對(duì)穿戴者的動(dòng)作進(jìn)行輔助的一種機(jī)械裝置，如下圖1。該裝置穿戴在操作者的身上，能夠給穿戴者提供有效的支撐，而且還能夠提供額外的動(dòng)力以及感知能力。從而提高人們的行走耐久性、提升負(fù)重能力、增強(qiáng)人體的肢體力量。如今的外骨骼技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了近100年的發(fā)展。外骨骼技術(shù)從最開始的軍用，逐漸應(yīng)用到醫(yī)療、物流等行業(yè)。

1 外骨骼技術(shù)的原理與技術(shù)優(yōu)勢分析

1.1外骨骼技術(shù)工作原理

動(dòng)力外骨骼在工作的過程之中采用的原理通常為：利用仿生學(xué)以及動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)械系統(tǒng)放置在人體以及外骨骼系統(tǒng)之中，在人的身體上安放各種類型的傳感器，比如說在人的膝關(guān)節(jié)以及背部和人的皮膚表層裝一些壓力以及加速度與生理信號(hào)的傳感器，對(duì)人體在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過程中的一些信息進(jìn)行獲取感知，同時(shí)對(duì)人體的生理信息進(jìn)行感知，然后利用芯片進(jìn)行濾波以及處理，同時(shí)將數(shù)據(jù)反饋到中央處理器之中。之后處理器會(huì)對(duì)這些信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理，同時(shí)利用一些感知以及預(yù)測算法，對(duì)人體所具有的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及人機(jī)耦合度進(jìn)行調(diào)整。整個(gè)系統(tǒng)利用各種各樣的信息，將其轉(zhuǎn)變成為控制參數(shù)，同時(shí)利用人機(jī)耦合以及控制等辦法，對(duì)執(zhí)行器裝置動(dòng)作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤，同時(shí)給人體提供合適的推動(dòng)助力，這能夠較好的完成人機(jī)耦合協(xié)同運(yùn)動(dòng)之中的柔順性需要，能夠?qū)⑷撕蜋C(jī)械完美的結(jié)合成“人-機(jī)耦合機(jī)械系統(tǒng)”。

1.2技術(shù)優(yōu)勢分析

對(duì)于外骨骼技術(shù)來說，是把人和機(jī)械進(jìn)行了完美的結(jié)合，使用者和外骨骼創(chuàng)建出了一個(gè)“人在回路”之中的閉環(huán)系統(tǒng)。同時(shí)設(shè)備利用許多傳感器對(duì)使用者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)趨勢進(jìn)行感知，同時(shí)展開相應(yīng)的分析，進(jìn)一步作出反應(yīng)，這樣就能夠給人體提供多自由度以及多運(yùn)動(dòng)趨勢的輔助，這樣就能夠給使用者的動(dòng)作進(jìn)行放大，大大的增強(qiáng)人體的機(jī)能，從而使穿戴者成為“大力士”、“閃電俠”。根據(jù)有關(guān)資料顯示，外骨骼系統(tǒng)可以使得一名普通士兵輕松舉起90kg的重物，并能在攜帶該重物的情況下，保證越野速度不低于正常的5km/h。2010年，洛克希德·馬丁公司推出的最新產(chǎn)品—“HULC”系統(tǒng)（如圖4所示），更是將這個(gè)速度提升到了16km/h。在2019年由中國陸軍裝備部舉辦的“超級(jí)勇士-2019單兵外骨骼系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽”上，一枚重達(dá)四五十公斤的155mm炮彈的裝填，原先需要多人合作才能完成，現(xiàn)在只需要一個(gè)人便可輕松完成。外骨骼技術(shù)的強(qiáng)大可見一斑。

2 外骨骼技術(shù)的核心內(nèi)容

外骨骼機(jī)器人，是把機(jī)械、生物學(xué)、人體傳感等多領(lǐng)域技術(shù)綜合而成的高科技產(chǎn)物，其主要核心技術(shù)包括新型傳感元件、新型執(zhí)行元件、新型控制方式與控制策略、高功率密度動(dòng)力源以及新型材料技術(shù)等方面。

2.1新型傳感元件

外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)之中所使用到的一些傳感器，可以分為使用者信息收集傳感器以及識(shí)別機(jī)器人自身狀態(tài)的傳感器，因?yàn)轶w積以及重量等方面的限制，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，需要通過實(shí)際情況對(duì)其傳感原件進(jìn)行設(shè)計(jì)。有部分系統(tǒng)之中使用的是應(yīng)變片所創(chuàng)建的惠更斯電橋當(dāng)成是系統(tǒng)的敏感單元，這能夠?qū)θ梭w的足底進(jìn)行有效的壓力檢測;還有部分的系統(tǒng)使用了微型光學(xué)器件類型的傳感器，有些還會(huì)使用微型陣列傳感器等，對(duì)使用者的綁帶之中所具有的接觸應(yīng)力進(jìn)行測試，從而判斷操作者之后的運(yùn)動(dòng)趨勢。

2.2新型執(zhí)行元件

對(duì)于新型作動(dòng)器開展的研究需要重視系統(tǒng)的阻抗特性以及響應(yīng)速度和安全性等方面的不同問題。在如今使用最多的是串聯(lián)彈性轉(zhuǎn)動(dòng)作動(dòng)器，這種類型的作動(dòng)器在人體的關(guān)節(jié)位置增添了1個(gè)彈簧，對(duì)彈簧形變進(jìn)行一定的測算就可以獲得作動(dòng)器實(shí)際的輸出扭矩，這就能夠?qū)θ梭w的關(guān)節(jié)進(jìn)行扭矩以及阻抗控制。而且，還有一些系統(tǒng)使用電機(jī)以及帶輪實(shí)現(xiàn)當(dāng)成是作動(dòng)器，這能夠?qū)Υ?lián)彈簧有就有的剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，還有系統(tǒng)使用并聯(lián)-串聯(lián)作動(dòng)器，和一些氣動(dòng)人工肌肉等類型的執(zhí)行原件。

2.3新型控制方式與控制策略

對(duì)于可穿戴外骨骼所采用的控制技術(shù)，一方面指的是控制方式，其次指的是控制策略。如果從控制方式層面來分析，如今的一些控制方式包含有肢體映射控制以及生物電控制等多種類型的方式。所謂的肢體映射控制指的是使用人體做出的一些動(dòng)作對(duì)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，這在一些外骨骼機(jī)器人研究過程中十分常見。

如果從控制策略層面來分析，其中包含兩個(gè)部分，第一部分是機(jī)器人肢體預(yù)期所做出的一些動(dòng)作，第二部分是機(jī)器人怎樣去完成這些動(dòng)作。對(duì)于第一部分和外骨骼機(jī)器人對(duì)傳感器的信息進(jìn)行處理有關(guān)，這就能夠判斷出使用者的意圖，之后再對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行挑選（比如對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制、對(duì)力進(jìn)行控制）;而其中的后者包含有機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)以及控制器設(shè)計(jì)等方面。使用的辦法包含有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)一級(jí)耦合關(guān)系創(chuàng)建策略，人體和外骨骼抽象建模虛擬阻抗策略，慣性測量單元感知策略等方面的技術(shù)。

2.4高功率密度動(dòng)力源

外骨骼裝備的運(yùn)行要求高效、長久、輕便、安全地能源供給，動(dòng)力源問題是外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)難題之一，尤其是室外應(yīng)用的外骨骼機(jī)器人，通常難以獲得外部能源供應(yīng)。因此，自身能否實(shí)現(xiàn)可靠、高密度、長續(xù)航時(shí)間的集成動(dòng)力能源供應(yīng)。是外骨骼機(jī)器人能否實(shí)現(xiàn)室外使用的核心問題之一。如今隨著鋰電池，燃料電池的廣泛使用和新型高效能源的發(fā)展，外骨骼裝備的自給持續(xù)能源供給問題將得到解決。