集成化智能柔性外骨骼作战系统关键技术

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1、 . . 集成化智能柔性外骨骼作战系统关键技术周加永，王 晶，孟小净，莫新民， 昂，睿远(西北机电工程研究所， 712099)摘要：柔性外骨骼机器人与传统增力型外骨骼机器人相比，具有高度集成化、智能化、柔顺性和安全性，因而成为外骨骼机器人研究方面的热点。对目前柔性外骨骼的研制进展进行了分析，重点分析了负重智能分布技术、减轻和预防士兵损伤的技能增强技术、功能性纺织技术等关键技术，并对其未来的应用前景进行了展望。关键词：集成化；智能化；柔性外骨骼；关键技术随着现代化战争手段的发展，武器装备不断改善，士兵背部负重量呈越来越重的趋势，直接影响了士兵的健康和战斗力。针对未来信息化战场需求，为了减轻负重对

2、士兵的损伤，提高士兵的全景态势感知，复杂环境通信、高负荷机动，生存防护、持久作战等综合作战能力。需要研制一种以柔性外骨骼为支撑，质量轻、柔韧性好的集成化智能柔性外骨骼作战系统。柔性外骨骼作为一种新型的高科技产物充分吸收了各领域的先进技术，让士兵与外骨骼的交互体如同穿衣服(甚至如同肌肉、皮肤)一样自然自如，提高士兵的机动性，在一定程度上缓解士兵的运动疲劳。集成化智能柔性外骨骼作战系统将智能隐形战衣、融入式战场感知系统形成新一代单兵综合作战系统，即人形机甲一体化综合防护系统。形成人机一体、具备快速机动能力，高效防护的“铁甲战士”，使士兵有效融入陆军一体化联合作战体系。1 国外研究现状随着士兵的生存

3、力日益被重视，发展具有多种功能的可穿戴作战系统已成为士兵装备技术领域的新热点。集成化智能柔性外骨骼作战系统是一种质量轻、柔韧性好的可穿戴式作战系统，能自动变硬或松弛以避免士兵受伤，同时可增强肌肉机能以减小负重在士兵身体上的作用力，降低长时间负重、在崎岖地形行军士兵的疲劳损耗。1.1 国外研究状况以军事应用为背景，美国最先进行了集成化智能柔性外骨骼作战系统的研制。2011年9月，美国国防高级研究计划局启动了“勇士织衣”集成化智能柔性外骨骼作战系统探索性研究项目，如图1，图2所示。该可穿戴式作战系统要求功率小于100 W，质量不到9 kg，电池重约4.5 kg，在一次充电后可持续工作24 h，士兵

4、背负45 kg重物、以1.25 m/s速度在平地行走时，可以减少25%代消耗。美军已在阿伯丁试验场对“勇士织衣”样服进行了两轮测试评估，测试中身穿“勇士织衣”作战服的士兵背负27.7 kg重物仍能正常行走，如图3所示1。图1 “勇士织衣”作战系统概念图图2 “勇士织衣”作战系统哈佛大学怀斯生物工程研究所正在研制的柔性外骨骼Soft Exosuit，如图4所示，已经集成到“勇士织衣”项目中，已解决了首轮评估中发现的舒适度和适配性等问题，系统功能变得更强大，并开展野外测试，效果良好。美国斯坦福国际研究所的一个团队正致力于研究款能够学习穿戴者动作的柔软型机械外骨骼Super flex，如图5所示，它

5、可以通过运动传感器等仪器学习穿戴者的动作，同时它能给予穿戴者支撑身体躯干和四肢的力量。Super flex外骨骼质量约为3.63 kg，电池质量为1.36 kg，在负重或辅助老年人行走时，这种柔性外骨骼还可向用户的腿部、手臂或躯干提供一定的支承力2。图3 “勇士织衣”作战服负重实验图4 Soft Exosuit美军正在计划将加拿大仿生电力的Power Walk (见图6)行动动能蓄电装置，投入到实际测试使用中。该装置就像外骨骼一样能够覆盖膝盖与腿部肌肉，并且能将人体行走时的动能，转化为电能从而为电子设备供电，且还能减缓行动时产生的疲劳感。该装置最高能够输出1012 W的电力，以5 km/h的速

6、度行走1 h，能够产生并存储足够4部智能手机使用的电力。除了军用以外，加拿大仿生电力还希望能将Power Walk推广向其他专业领域和消费市场3。2015年澳大利亚国防部正在投资研制一种新型被动式可穿戴柔性外骨骼OX，如图7所示，它能将士兵负重的2/3直接转移至地面。该被动式可穿戴柔性外骨骼，质量不到3 kg，配有两条简易鲍登线，结构简单，无需重型电池，成本低，易于与穿戴者和装备集成，且不用时可以拆除并装入背包4。图5 Super flex图6 Power Walk图7 OX此外，国外已经研制出了能为人体局部助力，减轻损伤具有柔性外骨骼的功能性的服装。由日本广岛大学、道大学、Smart Sup

7、port Technologies 公司和乔治亚理工学院联合开发的SEnS感知运动增强服(见图8)，只要穿上它，干活时你就可以更加省力，而且根本不用电源。科学家们通过计算机计算人体的活动，得出其感知运动的最大值，然后用柔性织物制成了 SEnS5。德国的Fraunhofer Institute设计研究院开展了一个名为“Care Jack”的研究计划，他们正在研究一种Care Jack智能背心(见图9)，希望能为医护人员提供身体上的支撑。这件智能背心置的充电装置能够在用户活动的时候积蓄电能，然后在用户负重的时候释放能量，为用户提供支承力。用户也可以自己调节能量释放的时间和程度6。图8 SEnS感知

8、运动增强服图9 Care Jack智能背心1.2 国研究现状我国在穿戴式外骨骼研制方面起步较晚，与美国存在巨大的差距，2000年以前几乎是空白，只有少数院校进行过理论研究。2004年美国对BLEEX外骨骼系统进行公开报道后，国一些院校和科研院所才开始从事类似项目的研制。2006年海军航空工程大学研制出第一款单兵负荷外骨骼系统，随后各单位陆续研制出各自的外骨骼样机。目前国的研究方向分两个，一是以军事应用为背景，二是以医疗康复为背景。其中，兵器工业202所、兵器装备208所、航天科工206所、总后军需装备研究所、理工大学、海军航空工程大学、工业大学、中航双兴科技等单位以军事应用为背景进行研究；电子

9、科技大学、华东理工大学、航空航天大学、中科院先进技术研究院、中科院物质科学研究院等单位以医疗康复为背景进行研究。上述单位所研制的外骨骼都属于作战型或作业型刚性外骨骼，没有研制出柔性外骨骼样机，一些单位只进行了相关理论研究工作。2 系统组成柔性外骨骼作为集成化智能柔性外骨骼作战系统的主要支撑体，在提高士兵作战效能和保障士兵健康安全方面发挥着巨大的作用。集成化智能柔性外骨骼作战系统的设计思路更像为人体设计衣服，无论感知还是执行机构都充分考虑与人体的柔性结合，通过感知生理信号预判人体动作，如肌电信号、脑电信号、心率、血压、血氧等。与刚性外骨骼采用大量刚性材料不同，集成化智能柔性外骨骼作战系统更强调“

10、布料”适应人的行动而不是去限制，因此，这种“衣服”的超凡能力与柔性“布料”息息相关。综合国外研究和探索的情况，集成化智能柔性外骨骼作战系统组成应包括以下5个方面：1) 柔性外骨骼支架系统：人机穿戴紧密贴合性与舒适性的承载机构是集成化智能柔性外骨骼作战系统的基础，柔性支架系统可使力均匀分布在腿上；采用刚度可变的轻型电控弹簧，能够存储能量，并限制运动围，避免损伤或疲劳。2) 柔性驱动系统：柔性驱动系统是微型电机、特殊功能性结构件以与一系列弯曲时会变短的细绳组成，通过微型电机的驱动实现细绳的伸长与缩短，为穿戴者助力，这些缆线是柔性的，能够随穿戴者弯曲，不会妨碍穿戴者的动作围。3) 柔性控制系统：柔性

11、控制系统的电薄片控制器不仅使用了弹性材料，还使用4D材料，能够在关闭时改变力学性能，质量仅几克，能在低电流下应用高电压时从柔性材料转变为硬质材料。4) 人体运动感知系统：运动传感器、加速计和陀螺仪可读取穿戴者腿部的速度和角度，并据此实时调整，传感器可预知穿戴者的运动，能在精确的时间根据需求启动外骨骼；智能高效的传感网络可有效感知、判别人体肢体的运动与趋势，亦可用于评测人体骨骼肌肉疲劳度。5) 功能性纺织服：功能性纺织服结合其他先进技术要具备防弹性能强，柔韧性和灵活性好，质量轻，舒适耐用等特点，并且还能与现有士兵作战服和装备兼容。3 关键技术集成化智能柔性外骨骼作战系统的使用，未来士兵将具备网络

12、化作战能力、持久的耐力与超强机动能力，彻底改变步兵传统单打独斗的作战模式，成为真正的“超人”。集成化智能柔性外骨骼作战系统是一种全新的可穿戴式作战系统，具有独特的技术性能特点，其核心关键技术包括以下3个方面：1) 负重智能分布技术；2) 减轻和预防士兵损伤的机能增强技术；3) 功能性纺织技术。3.1 负重智能分布技术集成化智能柔性外骨骼作战系统设计目的不是让穿戴者举起大型物品，而是让集成化智能柔性外骨骼作战系统与人体肌肉相互配合，在士兵负重行军时，使负重智能分布于士兵全身，减小负重对士兵的作用力，以减少人体损伤，提高人体耐力。具体研究容主要包括以下4个方面：1) 人机柔性结合技术集成化智能柔性

13、外骨骼作战系统的设计更像是为人体设计衣服，无论感知还是执行机构都充分考虑与人体的柔性结合。集成化智能柔性外骨骼作战系统的柔性外骨骼装置被安装到网状织物带上，它是人机交互的机械界面，支撑人体下肢的有效载荷以与自身的重量。在保证使用者舒适性的前提下，提供有效助力，因此要求确保人机之间的干涉尽可能小。这一目标的实现，首先根据传感器实时采集到的数据，按照一定的算法快速生成目标步态的参考命令；其次是关节控制层接收到命令后，要能够迅速准确地触发驱动器动作，使各关节协调运动，这样，外骨骼才能准确与时产生接近人体自然步态的动作，从而达到降低行走干涉的目的，并为人体关节提供额外动力。柔性外骨骼的电池和电机被安装

14、在穿戴者的腰部，以避免任何刚性零件影响人体关节的活动。柔性外骨骼的穿戴者不必对输出力度进行手工调节或者去适应柔性外骨骼启动后的固定行走速度，是提高穿戴者的活动能力，而不是让穿戴者去适应柔性外骨骼。2) 人体不同部位疲劳极限负重分析根据当前竞技体育运动的数据，对人体疲劳和极限负重进行分析。通过统计分析，计算数据分布，对平均体能和极限体能提出较为合理的估计值数据。3) 负重向人体不同部位传递的方式和方法根据当前体育、登山、户外等领域对人体运动特点和负重活动的研究成果，结合具体实验数据，分析人体负重的体积、重心，探索通过集成化智能柔性外骨骼作战系统减轻人体受力、降低体能消耗的方法。4) 人体运动感知

15、与控制技术为了实现柔性外骨骼系统的感知系统，根据柔性外骨骼系统的结构与不同状态下的助力效果选用肌肉压力传感器或力传感器、位置传感器、温度传感器以与其他用于人体运动意图感受的传感器等，再对传感器反应速度、精度、稳定性和量程围等进行界定，确定传感器的具体型号和类型，达到人机高度亲和的目的，以实现外骨骼自适应随动控制的需求。柔性外骨骼系统的感知策略为：首先利用脑电信号的超前性完成人体简单动作意图的预判，主要为前进、后退、左转、右转等动作方向的识别；然后利用表面肌电感知子系统感知、分析并完成人体下肢某动作的模式识别；与此同时，光纤动作捕捉系统实时反馈人体运动位置和姿态，对肌电感知子系统识别的动作模式进

16、行反馈修正，最终判别出某种特定的动作模式。3.2 减轻和预防士兵损伤的机能增强技术损伤减轻与预防技术，是为了减轻穿戴者因背负重物长时间行走或跑动而引起的肌肉骨骼损伤，主要研究运动过机械或从结构上产生缓冲效果，维持关节稳定；提供肌肉主动刺激，以保护关节和软组织；通过产生反向力，使关节有效抵御那些超过其支撑能力或极限的外力等。人体机能增强技术，能提高士兵在跑动、提举、攀爬、负重、射击等过程中的体能和耐力。研究集中在提高士兵负重或非负重状态下的跑步速度；减少人体代消耗；增强士兵提举能力；通过耐力训练，提升士兵射击技能或认知任务效能等方面。具体研究容包括以下5个方面：1) 柔性支架系统研究人机穿戴紧密

17、贴合性与舒适性的承载机构是集成化智能柔性外骨骼作战系统的基础，柔性支架系统可使力均匀分布在腿上。2) 柔性驱动系统研究柔性驱动系统是微型电机、特殊功能性结构件以与一系列弯曲时会变短的细绳组成，通过微型电机的驱动实现细绳的伸长与缩短，为穿戴者助力，这些缆线是柔性的，能够随穿戴者弯曲，不会妨碍穿戴者的动作围。3) 刚度可调核心部件研究可变刚度的材料可以提供一系列新功能，包括通过调整刚性连接和关节的位置重新配置系统，并能够调整不同刚度的可穿戴织物。在必要的时候变硬，而在运动的时候变软，减轻士兵的疲劳感。一种方案是通过先进技术，实现材料本身刚度的变化。可变刚度织物由形状记忆材料制成，其中形状记忆合金(

18、SMA)表面涂覆有形状记忆聚合物(SMP)薄膜。SMP向玻璃化转变时，这种织物会降低一个数量级的弯曲刚度。另一种方案是通过设计特殊的可调机构，利用控制方法对可变刚度关节进行有效调整，这种可变刚度关节是由调节平衡位置的刚性环节和刚度可调的柔性环节组成的。在可控刚度的关节里面安置刚性环节和输出端加入柔性单元，柔性单元的引入增加了关节的柔顺性，使穿戴者运动过程中不但减轻了能量的耗损而且还在很大程度上对关节起到保护作用，并使穿戴者的舒适度得到提高。4) 易受损伤部位保护措施研究在分析研究人体易损部位的基础上，在易损伤部位采取相应的保护措施，例如，在易损部位设计缓冲结构、功能性结构件等。5) 人机平衡智

19、能控制技术与安全性研究为了保证柔性外骨骼系统在工作过程中安全稳定，需要进行实时监控，当超出安全裕度时，与时向穿戴者传送信号并报警，并按照导入的安全规则，对系统进行控制，使重心回到稳定围。首先，进行失稳边界条件分析，进行行走过程的动力学计算，绘制重心变化图，利用人机工程学知识确定相应肌肉的受力，通过计算，确定重心变化的允许上限。再次，进行综合重心位置计算，利用安装在各个部位上的传感器，判断系统的位置姿态，实施计算出系统的综合重心位置。最后，编制监控警报程序，在规定的时间循环检测一次重心位置是否超出安全裕度围，超出围时进行报警。柔性外骨骼系统可靠的安全限位保护装置是不可缺少的，通常限位方式可分为软

20、限位和硬限位。软限位一般通过上层控制程序对各个关节运动进行限位，但为了确保系统的万无一失，还必须要在底层设有机械和电路的硬限位，使外骨骼在检测到关节到达机械限位时，能够自动切断电源或使关节以反向缓慢运动回到安全初始位置，避免伤害操作者。3.3 功能性纺织技术柔性外骨骼的外部织物结合其他先进技术要具备防弹性能强，柔韧性和灵活性好，质量轻，而且舒适耐用等特点，并且还能与现有士兵作战服和装备兼容。具体研究容包括以下4个方面：1) 柔韧灵活性与兼容性研究柔韧性和灵活性好，质量轻，而且舒适耐用。它还能与现有士兵作战服和装备兼容，可供90%以上的士兵(男兵和女兵)使用。2) 电子设备编织植入技术研究结合了

21、电子工程、产品设计和纺织技术把电子设备编织到织物中注意不是简单的嵌入，而是一针一线那样纺织到产品本身中。3) 温度调节植入技术柔性作战系统采用微胶囊技术，将具有调温功能的相变材料包裹并添加到纤维中或整理到面料表面，或将某相变材料填充进粘胶纤维或聚丙烯中空纤维的中空部分。相变材料对周围的温度反应极其敏感，在确定温度围可以改变自身聚集状态，从而释放或吸收热量，对人体热量的变化给予补偿，使服装形成一个相对稳定的小气候环境，且在此状态转换过程中相变材料的体积变化不明显。4) 液态护甲植入技术液态护甲在正常使用期间像液体一样易于变形和流动，一旦被枪弹或破片击中，就会立即变硬，阻止枪弹进入士兵身体。这种新

22、型液态护甲的特点是质量轻，灵活性和防护性特别强。所用材料是经纳米技术改造过的液态硅，专业术语称为“剪切增稠液体”(STF)。这种液态护甲材料的弹道防护性能优于凯夫拉纤维，但比凯夫拉纤维更柔软、更轻薄，可以覆盖全身，而且不会影响士兵的灵活性。实验证明，一件注入了STF的轻型防护背心不仅可以阻挡利刃、枪弹的穿透，还可以阻挡爆炸的冲击波。4 结论集成柔性外骨骼系统的未来可以集防弹衣、微气候制冷系统和生化防护服为一体，既能防弹，又能减小爆炸冲击波对士兵的伤害，还能为士兵提供生化战剂保护，将使未来士兵具备网络化作战能力、超强的负重与机动能力，彻底改变步兵传统的单打独斗作战模式，成为真正的“超人”。将来集成化智能柔性外骨骼作战系统可以织入光纤丝线，将受伤士兵的伤情实时传送给医疗救护中心，为士兵提供远程救护，甚至能融入四周环境，使士兵成为“变色龙”。8 / 8