智能消防外骨骼的經驗基礎性整理與分析

張子琛 劉鳴 王博崇 陳昱興 方霈澤 蔣金佐 吳琦鳴

摘要：隨著當今國家經濟水平的快速發展和科技水平的不斷提高，我國正努力探尋能代替或者輔助人類勞動的器械，以減輕人的負擔和不必要的損失。于是，外骨骼應運而生，它不僅能將人從傳統高強度的體力作業中解放出來，還能幫助人們訓練以提高身體素質，這就使得生產效率大幅度提高。在我國，國內消防員的傷亡率是非常高的，若是將外骨骼向堅固化和持久化方向上發展，肯定會大幅度降低消防員的傷亡率，本文將對近幾年來的智能消防中消防外骨骼的經驗進行基礎性整理和分析。

關鍵詞：智能消防;消防外骨骼

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0013-02

一、外骨骼的產生背景

“外骨骼”的說法最早起源于21世紀初的美國軍方。在當時，美國國防部為了提高士兵的整體素質以及單兵作戰能力，提出了“外骨骼機器人”的概念，并迅速開始投入研究。

二、外骨骼的類型與研究意義

外骨骼機器人可分為上肢外骨骼和下肢外骨骼。從功能的角度來看，它可以分為兩類：一方面是服務于老年群體的支撐型外骨骼，另一類是服務于殘疾人和部分喪失運動功能的病人，用于輔助其行走和康復的。另一方面，外骨骼用于增進人體的負重能力和肌肉力量。隨著搶險救援裝備的不斷融合與增加，消防員作業能力也隨之急劇上升，而消防員在執行任務時將會攜帶更多的裝備，因此質量問題成為消防員搶險作業應激性與生存能力的一個障礙。外骨骼機器人能提高消防救援人員的裝備承載能力，可以使消防員輕松承受并單人運輸較大質量甚至高達噸級的搶險救援裝備，其本身的動力裝置和運動系統能夠使消防救援人員不感疲倦地做距離遠、時間久的高強度運動，同時也可以給消防救援人員提供堅實的防御，實現人的靈活性與器械的機動性、智慧與工具的完美結合。此外，外骨骼機器人應用范圍也非常廣泛，它可應用于物資疏散、災區患者轉移、施工現場物品搬運等工作，可以大幅度提高使用者的作業能力和工作效率;也可作為殘疾人和肢體失調者的訓練器及輔助行走裝置等，是一個具有良好發展前景的項目，有著十分重要的社會效益。

三、驅動系統

驅動系統可分為液壓動力系統、電動力系統、氣壓驅動系統以及人工肌肉驅動系統。下面將對以上四種系統進行闡釋。

（一）液壓動力系統

液壓動力系統是以液壓油為傳遞能量的介質，并通過液壓泵得以實現能量轉換的動力系統。這種方式相對于其他幾種是比較穩定的，但是液壓動力系統中能量的損耗是相對較大的，以至于系統總效率低。由于液壓對液壓油的溫度變化非常敏感，所以液壓動力系統只能在溫度合適的地方工作。

（二）電動力系統

電動力系統現有兩種方案，第一種是以電動機轉子的旋轉從而帶動關節的旋轉。第二種是利用電動驅桿推動，將電動機的旋轉動能轉換為推桿的動能。第一種很容易拆卸，但是用這種方法做出來的外骨骼機器人質量很大。第二種方法比第一種靈活得多，但可持續工作的時間大大縮短。

（三）氣壓驅動系統

氣壓驅動系統與液壓驅動系統的工作原理是極為類似的，區別就是將液體介質換成了氣體介質。這種驅動方式的加速是特別快的，但是空氣壓縮后再釋放，所能控制的速度以及位置是很不容易掌控的。

（四）人工肌肉驅動系統

人工肌肉驅動系統充分利用了人體的結構特點。外骨骼電動機器人的每個旋轉關節由兩塊人工肌肉組成，通過肌肉來回拉動，實現機器人的運動。這種方式看起來是一種非常有發展前景的新興方式，但是這種造出來的人工肌肉的承受壓力載荷能力很差，其中有部分原因是因為技術仍舊不成熟，并且這種驅動方式的經濟效益較差。

四、電氣系統

以BLEEX為例，每個關節有一個測量關節角的編碼器，一對測量關節角加速度的線性加速度計，整個外骨骼有8個編碼器和16個直線加速度計。每個液壓缸有1個單軸力傳感器用于力閉環控制，1個伺服閥，10個遠程信號采集模塊（RIOMs）。

BLEEX的多層足底也很關鍵，每個足底包含了6個足底開關組，和1個負載分布壓力傳感器。其中足底開關組是用來檢測足底何時與地面接觸，負載壓力分布傳感器則是通過封閉壓力氣管末端的壓力傳感器檢測在雙足支撐狀態時，哪只腳承擔的重量多。

除此之外，BLEEX的總控計算機SIOM放在腰后背板下方，負責控制策略的運算和控制量的輸出。

五、外骨骼結構、仿生和非仿生結構各自特點

（一）仿生結構

仿生結構的外骨骼機器人要求人機時刻不能發生錯動，以防止不必要的器械的磨損。

（二）非仿生結構

非仿生系統的外骨骼機器人人機位置不一定要匹配，但是關節各末端需要相連。

（三）外骨骼結構

外骨骼結構結合了仿生結構和非仿生結構的兩種特性，既具有仿生結構的人機結合，又具有非仿生結構的柔性。

六、外骨骼在我國消防方面的應用前景

（一）在消防救援上的應用

很多復雜的地震情況，如嚴重的崩塌、不穩定的環境廢墟、橋梁、道路、建筑物等，長期只能依靠人體攜帶重型工具和材料進入災害現場，給救援行動造成極大的困難，嚴重影響救援人員的搜救效率。在搶險過程中，消防隊員會面臨的一些重大障礙，如坍塌的地板、滑石等，難度很大，用自己的力量消除障礙，從而節省開支。在這種情況下，當外骨骼機器人裝備好后，無論是重載、遠程遷移還是清理重大障礙物都變得輕而易舉。據有關資料顯示，當救援人員佩戴外骨骼設備進行救災時，搶險救災能力提高了3至4倍，從而大大減少了災民的生命財產損失。日益復雜的火災現場要求消防員攜帶越來越多的設備。有時負重甚至達到50公斤，這無疑對消防隊員的身體素質提出了很高的要求，重負荷下有效的救援時間只是重要因素之一，節省效率的同時瞬息萬變的火災現場也充滿了危險，消防員面臨著許多突發的危險。安全脫險也是自身力量雄厚、速度快的重要體現。外骨骼技術的應用，一方面可以顯著提高消防員的承載能力和耐久性，延長有效救援時間，提高救援效率，改善人民生命安全;另一方面，它可以發揮消防員的身體功能，如體力、反應速度等。顯著提高了消防人員在火災現場迅速避開突發危險，將危險轉化為安全，大大提高了消防人員的反應能力，為消防人員的生命安全提供了有力的保障。

（二）在基層消防救援戰訓上的應用

外骨骼技術在基礎訓練中的應用主要體現在兩個方面：一方面，它可以通過相關調查顯示，消防員經常在傷病情況下進行不同程度的訓練和救援，不僅給消防隊員的身心健康造成了更大的負擔，也給消防隊伍的轉型和現代化帶來了挑戰，但是外骨骼可以有效的解決這個問題。據報道，深圳某公司研制的腰部支撐外骨骼，能有效減輕腰部重量60%以上，并能提供10-15公斤的幫助。總重量小于2.5公斤。攜帶方便，使用壽命高達5億/個。如果它被廣泛應用于普通戰斗的編隊中，他們會徹底解決這個問題。另一方面能有效調節員工流動和培訓效率改善。之后外骨骼電子機器人可以掌握相應的標準動作。如果員工做了不符合標準動作的動作，可以糾正偏差，使受訓者迅速形成正確的肌肉記憶，節省訓練時間，提高訓練效率。

七、結語

隨著外骨骼電子機器人的發展，它在醫療和工業領域發揮了非常重要的作用，如支持不能站立的病人或支持輕工業人員移動重物等，雖然外骨骼機器人已經取得了很多成功，但不可回避的是，在技術上還存在很多障礙，另外材料和電池壽命是克服行業發展困難的必要條件，需要開發輕而強的復合材料，降低硬件成本，同時也要突破電源續航技術，提高耐用性。事實上，這兩個方面都是當前工業面臨的問題，許多其他設備也面臨同樣的困境。即便如此，外骨骼機器人的到來也為人們提供了很多幫助，最重要的是，它帶來了一種全新的可能。本文通過對當前我國外骨骼機器人所具備的經驗進行了系統性的整理和分析，希望能夠為研究并生產外骨骼機器人提供一些參考。

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