当前世界上很多国家, 为了应对不断变化的军事变革, 都在大力提升自己的单兵作战能力, 而这就要依托于先进的武器装备, 使得士兵的负重也大大增加, 增大了作战难度。而外骨骼装备的出现及应用将改变这种局面。它不但可以增强士兵的负重能力, 是一个非常不错的武器搭载平台, 同时可以提升士兵的机动性和防御能力。因此外骨骼技术作为一项前沿科技, 势必在未来战场上起到很大的作用, 具有十分广阔的应用前景。
外骨骼 (Exoskeleton) 这一名词, 来源于生物学昆虫和壳类动物的坚硬外壳, 它是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型, 建筑和保护的坚硬的外部结构。人体外骨骼系统是一个穿戴在操作者身体外部的:“机器人”他能对穿戴者提供支撑保护的同时还可以为人体提供额外的动力和感知能力, 可以大大地增加人体机能。
外骨骼技术是人体与机器的完美融合, 穿戴者和外骨骼成为了一个闭环的协同系统。机器通过多种传感器实时感知穿戴者的运动状态和运动意图, 并进行实时分析, 快速做出反应, 以实现人机多自由度、多运动状态的运动辅助, 并对穿戴者的行为运动进行放大, 提升人体机能。
未来战争, 越来越趋近小型化、特种化, 所以单兵作战能力就显得越来越重要, 战场上要求士兵拥有超强的作战能力及侦查能力, 但是有时候受到地形、负重等因素的限制, 人体机能的极限已经无法适应瞬息万变的战场情况。在这种情况下, 能够提高士兵身体机能的外骨骼装备就成为解决这个问题的最好方案。
目前, 大多数国家对于外骨骼的研究都还属于初步阶段, 比较先进的有美国和日本。而我国对外骨骼领域的探索比较晚, 但随着外骨骼机器人在社会上的需求量不断增大, 我国也在这个领域投入了比较大的研究力量, 也取得了一些成果。近年来的代表成果有伯克利大学的BLEEX系统, 雷神公司的XOS2系统, 还有国内自主研发的中国单兵外骨骼系统。下面就一一简单介绍。
BLEEX系统是伯克利大学设计研发的一款人体外骨骼系统 (图1) 。它主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构等构成, 穿戴者要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连, 背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包, 穿戴者进行运动的时候, 位于腿部的传感器会搜集运动信号, 并实时做出反应, 通过液压系统为外骨骼系统提供动力, 从而达到运动辅助的功能, 此装置的最大负重是32kg, 但是对于穿戴者来说, 他只感到背负了2kg一样, 这可以大大提升士兵的负重能力。但是对于战场使用来说, 这个装置体积过大, 对使用者的行动有所限制, 导致使用环境受到限制, 可靠性和自持能力还有待提高, 因此作为军事用途还远远不能达到要求。
XOS2系统 (图2) 是美国某公司开发的第二代外骨骼装置, 它由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构成, 由高压液压驱动。相对于伯克利大学的BLEEX系统来说, 这个系统更像是一个全身外骨骼。借助于XOS2, 穿戴者可轻松将90kg的重物举起几百次, 同时不会感到疲劳, 此外还可重复击穿约合7.62cm厚的木板。除此之外, 穿着者还能灵活运动, 可以进行诸如俯卧撑、爬楼梯、踢足球等复杂运动。但它最大的缺陷就是要拖着一条外接电缆。而自带电池只够使用40分钟, 所以还需要解决的问题还有很多。
中国单兵外骨骼系统 (图3) 是由中国兵器集团某研究所研制的外骨骼系统, 它的额定背负是35kg, 额定搬运是50kg, 在背负35kg的情况下, 平地步速4.5km/h, 平地行走续航里程20km。该新型外骨骼若装备部队, 可提高高原部队的单兵负重量, 提升单兵侦查能力, 可执行高原单兵巡逻、山地单兵巡逻、跨越障碍等任务。
外骨骼装置主要包括机械外框架、感知系统、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源动力6大部件。结构如图4所示。
采用仿生技术和先进制造技术打造出的外骨骼外框架, 能与人体完美结合, 同时具有高强度、质量轻等优点, 轻质与坚韧的实现需要高强度多功能一体化的复合材料, 新材料应具有综合力学性能优异、可设计性强、一次成型等优点, 舒适性要求最小化穿戴者运动时的约束感, 应该依照仿生学原理, 根据人体外形设计出合适的结构, 同时外骨骼应有应急保护机制, 在出现故障时能轻松脱下。
通过多传感器和数据融合系统感知穿戴者的运动姿态和生理状态, 同时预测穿戴者的运动意图, 人体的运动状态是非常复杂的, 每时每刻都不停地在变化, 所以就需要传感器能够快速且精准地感受当前的运动状态, 需要综合使用多种传感器, 例如惯性传感器、肌电传感器、薄膜传感器和光纤传感器等。
对传感器检测回来的数据进行处理, 针对穿戴者的运动需求, 通过随动控制技术实现外骨骼的多自由度、助力随动的目的, 要求控制系统不仅能准确快速地分析多种信号, 识别出穿戴者当时的运动状态, 并且能够根据外环境做出相应地响应, 对行动进行预测。
跟随控制系统传来的信号, 根据关节动力学, 综合应用电机、液压、气压等驱动方式, 实现高功率小型化的驱动助力, 同时可以开发新的驱动方式, 比如模拟人体肌肉的运动模式, 开发出能自动力的高效动力机构。
为各个系统提供能源, 外骨骼装备要求能源系统具有高效便携安全, 可以使用高效能源电池, 或者多种能源混合使用, 如太阳能风能等, 甚至可以开发便携式核能源。
其工作原理一般为:根据仿生学、动力学等原理, 设计机械机构组成外骨骼框架;在人体和外骨骼系统中安防各种传感器, 如在关节部位安装角度传感器, 在足底等支撑位置安装压力传感器, 在人体皮肤上安装生理信号传感器, 实时感知人体的运动信息和生理信息;传输到嵌入式计算机中, 计算机综合各传感信息, 并通过相应的感知和预测算法, 感知人体姿态并对运动做出预测;控制系统综合各种信息, 将之转化为控制参数, 驱动外骨骼框架运动, 实时追踪人体运动并对人体运动提供高效的助力。最终能达到人机一体化。
现在已经有好几个国家都做出了自己的外骨骼装备, 有的已经在应用于部队。但是还是有许多明显的问题:BLEEX装置由于其能耗过大, 穿戴者长时间使用会导致膝盖不适, 因此并未获得进一步地资助;XOS2系统因为自带电池只能用40分钟, 导致其始终离不开地面供电, 因此至今也未投入使用。现阶段的外骨骼装备尚存在以下几点不足:
1.能源:外骨骼装备要求高效长久轻便安全的能源供给, 现阶段的能源还做不到这一点, 需要开发设计出续航时间长、质量功率比高、安全性能符合要求的专用动力输出能源, 另一方面应该尽量减少机械部分的能源消耗, 通过智能化管理实现能源的高效管理和利用。
2.机械结构不够拟人化:机械结构的设计需要满足轻质、舒适、坚韧和承力的要求, 可以应用新型复合材料作为外骨骼的主要框架, 在提升强度的同时减轻质量。舒适性不仅是穿戴后人体静止的感受, 更重要的是减少人体运动时的约束感, 对于单兵系统中的应用, 还要求具有良好的便携性, 同时方便穿戴和脱下。
3.人机接口技术不完善:外骨骼技术的核心就是人机完美结合, 机器要能准确地了解穿戴者的运动和运动趋势并在短时间内做出反应, 由于人体的关节系统非常复杂, 需要应用大量的传感器, 对准确性要求非常大, 而且要依靠先进的算法快速做出分析并做出反应。
4.驱动机构技术:驱动技术就好比外骨骼的“肌肉”, 是外骨骼装备中提供动力的装置, 需要综合运用液压、气压和电动等多种驱动方式, 这3种方式各有利弊, 所以要根据各个关节动力学的情况, 全面综合应用各种驱动方式, 实现快速精确地响应。
外骨骼技术可以大大增强士兵的负重能力, 从而可以携带更多的武器装备;可以提升士兵的防御力, 因为机械的承载能力远远超过人体, 如果再加上适合单兵的复合材料装甲, 将会将单兵防御能力提升到一个新的水平;它可以提高士兵的机动能力, 可以让士兵快速地到达战场的任何角落, 甚至在将来, 飞行能力也被集成到外骨骼装备中, 这将大大提高单兵的机动能力, 还可以提升战场感知能力, 可以在外骨骼上加装图传感器系统, 以加强士兵的战场态势感知能力, 还可以加装卫星通信和定位装置, 使每个士兵都成为一个网络通信节点, 可以使士兵更好地应对复杂的战场环境。这些优点都说明外骨骼装备将在未来战场上具有广阔的应用前景。
目前摆在需要解决的问题还有很多, 未来的外骨骼需要更加巨大的能源, 更先进的操控, 更敏感的传感器, 更加先进的设计, 这些与先进武器装备相结合, 会使普通士兵变成可以在负载很多的情况下也可以快速运动的超级战士, 那么可以想象这样的士兵会是多么恐怖。
结语
外骨骼作为一项可以大幅度提高单兵作战能力的技术, 可以很好地适应未来的战场格局。现在外骨骼技术在虽然发展迅速, 但是仍有许多问题需要解决。目前各国都在加紧研究外骨骼技术, 以提升自己的单兵作战能力, 相信不远的将来就会有更多更加先进的外骨骼装备。
[1]张向刚.人体外骨骼技术综述[A].成都, 电子科技大学, 2015, 4-5.
[2]牛贵君.美军外骨骼装备研究及应用[J].广州, 军事体育应用研究中心, 2013, 94.
[3]邢凯.外骨骼机器人的研究现状及发展趋势[J].医疗卫生装备, 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.国内外助行动力外骨骼研究进展[A].北京, 清华大学摩擦学国家重点实验室智能生物机械分室, 201926-927.
[6]李会营.外骨骼装备在未来单兵系统中的应用前景[D].太原, 中北大学, 2012, 275-276.
联系客服
