基于拓撲優化的軍用單兵外骨骼裝備設計研究

張帆，高越,2，鞏超

（1.北京理工大學，北京 100081；2.河北民族師范學院，河北 承德 067000）

現代戰爭在科技發展的加持下已從信息化時代進入數字化時代，軍事裝備也隨著技術進步而不斷演變更新。在現代戰爭日趨局部化、復雜化和智能化的背景下，對士兵個體作戰能力的要求也日益提高。就單兵作戰能力來說，除了殺傷能力外，對各種特殊戰場環境的適應力和作戰效能也是極為重要的衡量指標。因此，能夠增強綜合作戰能力的單兵裝備就成為當下研究的重要方向，其中單兵外骨骼被各國軍事裝備研究者所關注。而外骨骼裝備的工業設計對其作戰效能、適應性和推廣應用有著很大的影響，因此有必要對外骨骼裝備的設計進行系統地分析和研究。拓撲優化作為一種結構優化設計方法在工程設計領域有著廣泛的應用，而在工業設計領域，拓撲優化也具備良好的應用前景和廣闊的施展空間。在外骨骼這類形態結構與功能高度整合的特種裝備設計上，拓撲優化方法的應用具有很高的開發潛力和研究價值。

1 軍用外骨骼設計研究綜述

1.1 國內外軍用外骨骼設計研究現狀

國內外對于軍用外骨骼的研究積累在時間上有較大差距。歐美國家自20世紀中后期就已經開始了針對工業和軍事領域的外骨骼研究，且設計并制造了種類繁多的樣機；國內研究者關注外骨骼相關技術和設計則始于2000年以后，初期研究主要以康復醫療領域為主，后向軍工領域拓展[1]。

Mudie K等[2]對外骨骼裝備尚未在實戰中廣泛應用的原因進行了分析，認為現有大部分研究過于關注外骨骼某項特定性能的提升而忽視了應對復雜環境的整體效能；提出軍用外骨骼應基于多性能指標平衡和多任務協同的前提來進行設計。Mudie K L等[3]還提出了用于評估軍用外骨骼的標準框架，以便對人穿戴外骨骼的反應和每個階段的設備機械性能進行整體評估。Bryan等[4]提出了一種髖關節–膝關節–踝關節外骨骼模擬器，用來測試具有高扭矩和高功率組件的多關節助力策略；使用這種外骨骼模擬器發現的策略將提高人體機動性，還可以探索更高扭矩的應用，例如短跑和跳躍；該研究為外骨骼設計提供大量信息，具有較強的前瞻性。Proud等[5]綜述了1990年至2019年的67個獨立研究并制作了發展狀況信息數據列表；提出要將外骨骼引入軍事環境，需要對現有技術進行重大調整或定制軍事專用裝備。

張峻霞等人基于人機工程學和人體步態運動規律提出一種髖關節外骨骼的結構設計方法。確定了該外骨骼結構的自由度數、運動副設置等關鍵信息，基于以上內容進行詳細設計，建立了虛擬樣機模型[6]。宋鵬等[7]為提高軍用外骨骼無滯后運動跟隨性能，設計了一種基于姿態傳感器和薄膜壓力傳感器的外骨骼傳感系統，并提出了一種基于BP神經網絡的步態識別方法。楊燦軍等[8]設計了柔性可穿戴式膝關節保護外骨骼，用于實現人體運動過程中膝關節負載減重及行走助力功能，并在此基礎上配套設計行走助力模塊。2019年，重慶牛迪科技在“超能勇士—2019”單兵外骨骼系統挑戰賽中推出新一代普力負重外骨骼系統，該系統實現了背部負載的高效卸力，增強人體負載能力，通過快拆機構設計實現單人快速穿戴和脫卸外骨骼。目前該系統已在一線部隊中推廣應用，為后勤保障、醫療和邊境守備等多種實戰場景提供了助力[9]。余從剛等[10]針對腰部助力外骨骼機器人穿戴過程繁瑣、身體感受不良、交互體驗不佳等舒適性因素，提出一種舒適性分析評估方法和設計提升方案；通過人因模擬的方式對腰部外骨骼機器人進行舒適性提升設計。

1.2 軍用外骨骼設計研究重點方向

1.2.1 人機協調設計。

外骨骼機動技術是囊括了傳感器、執行器和控制器的綜合技術體系。在萬方數據庫的學術發表統計中，以外骨骼設計為關鍵詞的研究有45%都來自機器人研究領域，現有主動式外骨骼裝備的機動技術大部分來源于機器人技術。但從目前研究成果來看，機器人工程技術體系并沒有完美遷移到外骨骼領域中，其原因在于，機器人的運動只需要實現預期機動效果，對機動方式沒有嚴格的限制，而外骨骼裝備機動能力的核心是對人體自身運動的輔助和增強，需要嚴格符合人體工學要求。現有的機動技術在復雜精細動作上，尚不能達到人體自身水平[11]。對于主動式外骨骼裝備來說，降低運動反饋時延則需要從傳感效率和運動模式學習等方面入手，結合腦電控制、人工智能等方式來改善隨動反饋和助力性能[12]。而對于被動式外骨骼裝備，其助力機構通常采用彈性儲能助力設計[13]，對穿戴者自身運動的影響主要來自儲能的做功過程和機械結構的阻尼。

無論對于主動式還是被動式外骨骼裝備，運動機構與人體結構、運動方式的緊密配合都是重要設計點。符合人體工學標準的外骨骼結構可以有效降低裝備對人體自身運動的不利影響和使用裝備的學習成本，提高裝備穿戴的舒適性和使用效率。外骨骼裝備的運動機構設計可參考《GB/T 10000—1988中國成年人人體尺寸》[14]，以18～25周歲男性第50百分位為基準，并針對軍人的著裝和近年來人群身高增長設定修正量。

針對士兵在不同環境和作戰科目下的運動狀態，外骨骼裝備應具備對應的反饋和助力模式，從而提高裝備適應性和能量利用率。通過分析人體在行走和奔跑時的步態可以了解外骨骼在這兩種行為模式下工作方式的不同性能要求。人的行走步態和奔跑步態見圖1—2。

圖1 行走步態周期Fig.1 Walking gait cycle

圖2 奔跑步態周期Fig.2 Running gait cycle

1.2.2 高比強度機身設計

外骨骼裝備本身的重量對于使用者仍然是一項負載，外骨骼裝備的自重越大，其助力效率就越低。外骨骼的動力輸出模式會影響裝備自重，使用電機、液壓等方式驅動外骨骼需要使用大量金屬材料，從而增加整個裝備的重量。為了實現長期高強度的運轉，構成外骨骼裝備的材料應具有穩定的理化性能包括：耐疲勞、磨損、腐蝕，能夠耐受頻繁沖擊和應力變化的嚴苛力學環境。因此，外骨骼裝備通常采用高比強度的材料來進行制造，例如碳纖維、硼纖維復合材料和鈦合金等輕質合金材料[9]。

同時，外骨骼裝備的結構設計直接影響產品的性能和成本。近年來研究者越來越關注外骨骼裝備的結構優化，例如，通過拓撲優化和生成式設計來制造具有輕量化結構的支撐組件[15]。因此，在保證裝備強度和穩定性要求的基礎上，外骨骼結構設計應盡量降低裝備的自重，提高助力性能。輕量化設計需要使用高比強度材料和輕量化結構來配合實現，利用材料本身物理性能和結構設計，通過一體化組件來實現儲能、助力、支撐等功能的整合。

2 軍用外骨骼原型設計實驗

本實驗旨在探索如何使用拓撲優化方法在不降低機身力學性能條件下，實現良好的人機協調，減輕裝備的自重，從而提高士兵穿戴外骨骼裝備后的運動表現。與此同時，可以考察拓撲優化方法生成的形態結構是否可以兼顧可用性和美觀性，實現外骨骼裝備功能與形態的協調。

2.1 實驗工具

本研究所用到的實驗工具為工業設計軟件和拓撲優化軟件，見表1。

表1 實驗軟件Tab.1 Software used in the experiment

Rhinoceros具有良好的數字模型兼容性能，可以解決不同步驟模型數據的格式轉換問題；Grasshopper提供了參數化設計環境和多種三維數據接口，實現了設計、測試與優化相整合的實驗條件。

拓撲優化軟件Ameba采用謝億民[16]團隊研發的雙向漸進結構優化法（BESO），能夠同時對拓撲單元進行刪減和添加。Ameba提供免費的云計算資源，運算速度不受單機算力的限制，解決了拓撲優化過程的實時可視化問題。

2.2 實驗方法

第1步，以《GB/T 15499—1995事故傷害損失工作日標準》中關節活動度數據[17]（見表2）確定外骨骼原型的運動機構自由度，在Rhinoceros中進行原始模型搭建。由于后續的優化設計工作需要在Mesh核心的拓撲優化算法環境中完成，所以需要將模型轉換為多邊形格式，這與常規設計流程中使用的曲面模型有所不同。

表2 關節活動度[17]Tab.2 The Range of Motion[17]

第2步，將原始模型的各個部件輸入Grasshopper，獲得可進行優化計算的參數化模型。

第3步，參數模型搭建完畢后，即可根據設計要求輸入物理約束條件，進行有限元分析和拓撲優化。由于Ameba對有限元細分數量進行了限制（10 000個單元以下），為了獲得最高優化精度，應對各個部件分別進行拓撲優化計算，計算過程見圖3。

圖3 拓撲優化過程Fig.3 Topological optimization process

第4步，對優化后的多邊形模型進行曲面重建，獲得可制造的數字模型，通過其與原始模型的體積比來評估優化效果。

2.3 實驗數據分析

在奔跑狀態下，人體豎直方向上所受沖量提供的加速度約為2.5倍重力加速度[18]，考慮到極端情況設定為3倍。以單兵負重上限25 kg為基準，本外骨骼裝備所受到的最大過載為負重重力的3倍，即為735N，以此可以確定各部件受力極值。根據原型設計中負重的掛載位置和各部件的裝配情況，力學約束條件數據見表3，各部件受力的矢量空間分布見圖4。

圖4 受力矢量分布（左、中、右分別為背部、腰部、腿部）Fig.4 Force vector distribution (left: dorsum,middle: waist, right: leg)

表3 部件力學約束條件數據Tab.3 Software used in the experiment

當優化過程迭代（Iteration）至50代后，體積分數（Volume Fraction）穩定在0.5，即可在原始參數模型基礎上減重50%；經過多次拓撲優化測試，減重的極限比例可以達到62%。由于拓撲優化所生成的3D模型為多邊形Mesh，其表面存在大量由拓撲計算產生的凹凸結構，無法進行批量化制造和后處理，所以需要對其進行重建，以修整其不規則表面。在Rhinoceros中對原型進行曲面重建后，外骨骼部件的減重比例見表4，優化結果對比見圖5。完成拓撲優化后，整個外骨骼體積為3 784 cm3，若以密度1.8 g/cm3的碳纖維復合材料為主體材料，外骨骼整體質量可以控制在6.9 kg以內。

圖5 原始模型（左）與優化模型對比（右）Fig.5 Comparison between original model(left) and optimized model (right)

表4 各部件減重比例Tab.4 Lightweight proportion of each module

實驗表明：

1）在進行運動機構設計時需要對三維模型進行參數化轉換才能進行拓撲優化，且在優化完成后要對多邊形格式的模型進行曲面重建，增加了一定的設計步驟。

2）通過拓撲優化方法可以在不影響外骨骼裝備整體性能的前提下大幅度降低裝備的自重，在結構設計上具有明顯的優勢。雖然后續的結構重建抵消了部分減重效果，但裝備原型部件的減重比例均超過了20%，這在結構緊湊的可穿戴型軍用裝備中具有顯著的應用價值。

3）經過設計重建后，外骨骼裝備的形態呈現為類似生物骨骼微孔結構的仿生設計形式，在滿足功能要求的同時，也實現了形態設計的創新。

3 軍用單兵外骨骼裝備設計要素與對策

人在行走時，上身的能量消耗來自人體為了保持直立體態、支撐體重和負重所產生的持續性肌肉收縮，以軀干核心肌群的工作為主。身體重心高度波動較為平緩，勢能變化很小，可利用的部分也就極少。此時可利用的機械能主要是由腿部以各關節為軸的復雜運動過程中肌肉收縮所產生的。因此，外骨骼的行走模式應以助力負重為主要設計目標，使外骨骼在跟隨人體運動的同時保持一定的整體支撐性能。在行走步態下外骨骼的助力儲能結構應能夠收集各關節轉動時的富余動能，在步態切換時進行釋放。同時外骨骼應能夠通過靜力傳遞代替身體承擔部分體重和外部負重，從而減輕人體負擔。

人在奔跑時，重心高度波動大幅增加，步態切換的頻率提高。由于擺腿幅度增加，此時人的支撐腿是在彎曲的情況下負重的。所以，在奔跑狀態下外骨骼很難通過靜力傳遞來分擔重量，各關節處能夠收集的主要是重力勢能。外骨骼的奔跑模式應以助力運動為主要設計目標，通過儲能結構收集人體運動時的富余動能，通過儲能——釋放的反復過程輔助運動，提高人在高強度運動時的耐力。

3.1 符合人體工學的運動機構與自由度設計

1）鏈式模塊化背部支柱。利用類似人體脊椎的鏈式模塊組合可有效解決外骨骼背部組件需要兼顧承重和活動功能的自由度設計需求。背部模塊與腰髖

部模塊通過人體接觸側的隱藏式鉸鏈進行連接，背部支撐小件的結合方式與其相同。鉸鏈連接可以提供躬身動作的自由度，同時能夠實現背部挺直時的支撐。背部模塊尺寸可以通過增減支撐小件數量來進行大幅調整，通過調節鉸鏈固定螺絲位置進行微調。背部綁帶位于背闊肌位置處的承重件上，與人體負重掛載位置接近。背部模塊設計方案見圖6。

圖6 背部模塊Fig.6 Dorsum module

2）萬向接頭式髖部關節。由于人體髖部運動涉及多個方向，利用萬向接頭可以解決外骨骼組件與肢體運動不同軸、不同心的實際問題，高度配合人體自由度，降低裝備對人體運動的阻力。腰髖部模塊包括腰部綁定件和髖部連接件，組件之間通過萬向連接件相連。萬向連接件能夠在提供矢狀面和冠狀面自由度的同時承載背部負重。由于萬向連接件為整個外骨骼產品中受力面積最小的部件，因此對其抗剪強度具有較高要求，一般考慮使用碳氮共滲處理的低碳合金鋼或性能更優材料來進行制造。腰髖部模塊設計方案見圖7。

圖7 腰髖部模塊Fig.7 Waist and hip module

3）承重與助力一體化腿部模塊。大腿部和小腿部模塊功能統一，在靜止時作為重力向下傳遞的支撐件，在運動時作為人體富余動能的驅動臂，彼此之間通過膝部儲能關節相連。為了適配不同的人體尺寸，這兩個模塊通過可調節固定位置的碳纖維板條與腰髖部和腳部模塊進行連接。腿部模塊設計方案見圖8。

圖8 腿部模塊Fig.8 Leg module

4）彈性儲能式膝部關節。膝部關節為外骨骼的核心助力模塊，通過人體行走奔跑時腿部肌肉作用于膝部的力和身體重力來驅動內置的儲能結構，從而實現動能的儲存和釋放。膝部關節在矢狀面上設計了自由度，其旋轉軸可調節到與人體膝蓋彎曲軸心一致的位置上，以便高效收集動能，更好地契合人體運動自由度。本原型采用渦卷彈簧作為儲能部件，位于膝關節外側，渦卷平面平行于矢狀面。在人體跑動中，腿部彎曲增大，負載的重力會加載在人體和膝部關節模塊上，隨著重心的變化，一部分勢能被渦卷彈簧回收。外骨骼組件與渦卷彈簧的聯動可以通過拆裝內部軸銷來進行快速離合。當士兵需要進行復雜戰術動作時能夠解除助力部件的做功行程，從而實現運動模式的切換。膝部關節設計方案見圖9。

圖9 膝部關節Fig.9 Knee joint

5）可替換足部模塊。足部模塊主要用于承接其他模塊傳遞下來的重力，并傳導至地面。在輔助負重設計上，負載（行軍背包）重心與足部模塊地面支撐點的水平距離一般在100～200 mm，而負重掛載高度在1 400 mm左右。當人在站立和行走時，大部分負重經由足部模塊進行支撐。由于人體在運動時足部頻繁接受沖擊，所以足部模塊在設計時充分考慮了材料損耗，設計為易于拆裝的可替換件。足部模塊設計方案見圖10。

圖10 足部模塊Fig.10 Foot module

3.2 基于拓撲優化的外骨骼形態設計

1）拓撲優化對象選擇。在對外骨骼進行拓撲優化設計時，不宜將全部部件進行統一的優化計算。其原因在于，拓撲優化算法需要使用大量的計算資源，涉及部件越多，計算速度越慢。而且現有拓撲優化工具對計算精度都有一定的限制，對所有部件進行優化是對計算精度的浪費。對其他非核心零部件或體量較小的產品結構來說，進行優化反而會降低設計效率，提高制造成本。因此，比較高效的設計方法是先篩選產品需要進行優化設計的核心零部件，對其進行逐一的分析和計算，這樣能夠最大限度地利用拓撲計算資源，提高優化精度。

2）拓撲優化目標設定。明確優化設計的目標，準確設置優化參數。拓撲優化參數的設定需要根據不同的優化目標確定相應的極值，其限定維度是多元的，可以限定體積目標，也可以限定受力目標。在本研究中，外骨骼裝備所受載荷數值遠小于材料的屈服極限，因此通過體積分數作為拓撲優化目標，可以順利實現輕量化的優化效果；而在某些體積不受限，受力狀態較為極端的產品設計時，應以受力極值作為拓撲優化的首要目標。

3）拓撲優化設計流程。拓撲優化生成的計算結果可以清晰地呈現部件的力學特征，在概念設計階段能夠提供一定的造型設計參考。因此，拓撲優化在整個工業設計流程中不僅是一種設計優化和驗證工程，也能夠作為一種設計概念方案生成的輔助工具。引入拓撲優化的設計流程應該是迭代的、非線性的。

4）拓撲優化設計結果。對于外骨骼裝備設計來說，人體工學可用性和力學性能是同等重要的。因此，外骨骼的造型設計需要與工程設計相結合，拓撲優化方法可以解決這個問題。但是，目前工程軟件所包含的拓撲優化工具對工業設計流程并不友好，而適配工業設計軟件的優化工具需要解決設計結果的重建問題，這給拓撲優化設計結果的制造帶來了一定的限制。利用拓撲優化方法生成的結構部件很難通過傳統減材制造方式進行批量化生產，而通過增材制造的方式可以處理更復雜的結構形態。增材制造技術是未來外骨骼裝備制造的必要手段。與此同時，拓撲優化算法所形成的類似骨骼組織的仿生結構也為外骨骼裝備的造型設計提供了一種新的設計思路與造型理念。外骨骼整機效果圖見圖11。

圖11 外骨骼整機Fig.11 Overall unit of exoskeleton

4 結語

外骨骼裝備一直是軍工產品設計領域的研究熱點，近年來隨著智能控制、材料研發和制造工藝的進步，軍用外骨骼的設計也有了新的進展。結合對外骨骼發展趨勢和重點研究的分析，本研究歸納出了人機協調設計、高比強度形態設計兩個設計重點方向。拓撲優化方法能夠深度融入工業設計流程，從而實現外骨骼裝備形態結構與人體工學運動機構的整合設計。與此同時，通過拓撲優化獲得的設計方案在滿足軍用單兵外骨骼裝備功能需求的同時，呈現出一種全新的形態設計風格。基于拓撲優化的設計方法為未來的軍事裝備工業設計提供了一種形態結構與功能高度契合的設計思路，具有重要參考價值和廣泛應用前景。