當(dāng)前世界上很多國家, 為了應(yīng)對不斷變化的軍事變革, 都在大力提升自己的單兵作戰(zhàn)能力, 而這就要依托于先進(jìn)的武器裝備, 使得士兵的負(fù)重也大大增加, 增大了作戰(zhàn)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)士兵的負(fù)重能力, 是一個非常不錯的武器搭載平臺, 同時可以提升士兵的機(jī)動性和防御能力。因此外骨骼技術(shù)作為一項(xiàng)前沿科技, 勢必在未來戰(zhàn)場上起到很大的作用, 具有十分廣闊的應(yīng)用前景。
外骨骼 (Exoskeleton) 這一名詞, 來源于生物學(xué)昆蟲和殼類動物的堅硬外殼, 它是一種能夠提供對生物柔軟內(nèi)部器官進(jìn)行構(gòu)型, 建筑和保護(hù)的堅硬的外部結(jié)構(gòu)。人體外骨骼系統(tǒng)是一個穿戴在操作者身體外部的:“機(jī)器人”他能對穿戴者提供支撐保護(hù)的同時還可以為人體提供額外的動力和感知能力, 可以大大地增加人體機(jī)能。
外骨骼技術(shù)是人體與機(jī)器的完美融合, 穿戴者和外骨骼成為了一個閉環(huán)的協(xié)同系統(tǒng)。機(jī)器通過多種傳感器實(shí)時感知穿戴者的運(yùn)動狀態(tài)和運(yùn)動意圖, 并進(jìn)行實(shí)時分析, 快速做出反應(yīng), 以實(shí)現(xiàn)人機(jī)多自由度、多運(yùn)動狀態(tài)的運(yùn)動輔助, 并對穿戴者的行為運(yùn)動進(jìn)行放大, 提升人體機(jī)能。
未來戰(zhàn)爭, 越來越趨近小型化、特種化, 所以單兵作戰(zhàn)能力就顯得越來越重要, 戰(zhàn)場上要求士兵擁有超強(qiáng)的作戰(zhàn)能力及偵查能力, 但是有時候受到地形、負(fù)重等因素的限制, 人體機(jī)能的極限已經(jīng)無法適應(yīng)瞬息萬變的戰(zhàn)場情況。在這種情況下, 能夠提高士兵身體機(jī)能的外骨骼裝備就成為解決這個問題的最好方案。
目前, 大多數(shù)國家對于外骨骼的研究都還屬于初步階段, 比較先進(jìn)的有美國和日本。而我國對外骨骼領(lǐng)域的探索比較晚, 但隨著外骨骼機(jī)器人在社會上的需求量不斷增大, 我國也在這個領(lǐng)域投入了比較大的研究力量, 也取得了一些成果。近年來的代表成果有伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng), 雷神公司的XOS2系統(tǒng), 還有國內(nèi)自主研發(fā)的中國單兵外骨骼系統(tǒng)。下面就一一簡單介紹。
BLEEX系統(tǒng)是伯克利大學(xué)設(shè)計研發(fā)的一款人體外骨骼系統(tǒng) (圖1) 。它主要由燃料供給及發(fā)動機(jī)系統(tǒng)、控制及檢測系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及外骨骼機(jī)構(gòu)等構(gòu)成, 穿戴者要通過傳動帶將自身的腿與機(jī)械外骨骼的腿相連, 背上要背一個裝有發(fā)動機(jī)、控制系統(tǒng)的大背包, 穿戴者進(jìn)行運(yùn)動的時候, 位于腿部的傳感器會搜集運(yùn)動信號, 并實(shí)時做出反應(yīng), 通過液壓系統(tǒng)為外骨骼系統(tǒng)提供動力, 從而達(dá)到運(yùn)動輔助的功能, 此裝置的最大負(fù)重是32kg, 但是對于穿戴者來說, 他只感到背負(fù)了2kg一樣, 這可以大大提升士兵的負(fù)重能力。但是對于戰(zhàn)場使用來說, 這個裝置體積過大, 對使用者的行動有所限制, 導(dǎo)致使用環(huán)境受到限制, 可靠性和自持能力還有待提高, 因此作為軍事用途還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到要求。
XOS2系統(tǒng) (圖2) 是美國某公司開發(fā)的第二代外骨骼裝置, 它由一系列結(jié)構(gòu)、傳感器、傳動裝置以及控制器構(gòu)成, 由高壓液壓驅(qū)動。相對于伯克利大學(xué)的BLEEX系統(tǒng)來說, 這個系統(tǒng)更像是一個全身外骨骼。借助于XOS2, 穿戴者可輕松將90kg的重物舉起幾百次, 同時不會感到疲勞, 此外還可重復(fù)擊穿約合7.62cm厚的木板。除此之外, 穿著者還能靈活運(yùn)動, 可以進(jìn)行諸如俯臥撐、爬樓梯、踢足球等復(fù)雜運(yùn)動。但它最大的缺陷就是要拖著一條外接電纜。而自帶電池只夠使用40分鐘, 所以還需要解決的問題還有很多。
中國單兵外骨骼系統(tǒng) (圖3) 是由中國兵器集團(tuán)某研究所研制的外骨骼系統(tǒng), 它的額定背負(fù)是35kg, 額定搬運(yùn)是50kg, 在背負(fù)35kg的情況下, 平地步速4.5km/h, 平地行走續(xù)航里程20km。該新型外骨骼若裝備部隊, 可提高高原部隊的單兵負(fù)重量, 提升單兵偵查能力, 可執(zhí)行高原單兵巡邏、山地單兵巡邏、跨越障礙等任務(wù)。
外骨骼裝置主要包括機(jī)械外框架、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信計算系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和能源動力6大部件。結(jié)構(gòu)如圖4所示。
采用仿生技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)打造出的外骨骼外框架, 能與人體完美結(jié)合, 同時具有高強(qiáng)度、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn), 輕質(zhì)與堅韌的實(shí)現(xiàn)需要高強(qiáng)度多功能一體化的復(fù)合材料, 新材料應(yīng)具有綜合力學(xué)性能優(yōu)異、可設(shè)計性強(qiáng)、一次成型等優(yōu)點(diǎn), 舒適性要求最小化穿戴者運(yùn)動時的約束感, 應(yīng)該依照仿生學(xué)原理, 根據(jù)人體外形設(shè)計出合適的結(jié)構(gòu), 同時外骨骼應(yīng)有應(yīng)急保護(hù)機(jī)制, 在出現(xiàn)故障時能輕松脫下。
通過多傳感器和數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)感知穿戴者的運(yùn)動姿態(tài)和生理狀態(tài), 同時預(yù)測穿戴者的運(yùn)動意圖, 人體的運(yùn)動狀態(tài)是非常復(fù)雜的, 每時每刻都不停地在變化, 所以就需要傳感器能夠快速且精準(zhǔn)地感受當(dāng)前的運(yùn)動狀態(tài), 需要綜合使用多種傳感器, 例如慣性傳感器、肌電傳感器、薄膜傳感器和光纖傳感器等。
對傳感器檢測回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理, 針對穿戴者的運(yùn)動需求, 通過隨動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)外骨骼的多自由度、助力隨動的目的, 要求控制系統(tǒng)不僅能準(zhǔn)確快速地分析多種信號, 識別出穿戴者當(dāng)時的運(yùn)動狀態(tài), 并且能夠根據(jù)外環(huán)境做出相應(yīng)地響應(yīng), 對行動進(jìn)行預(yù)測。
跟隨控制系統(tǒng)傳來的信號, 根據(jù)關(guān)節(jié)動力學(xué), 綜合應(yīng)用電機(jī)、液壓、氣壓等驅(qū)動方式, 實(shí)現(xiàn)高功率小型化的驅(qū)動助力, 同時可以開發(fā)新的驅(qū)動方式, 比如模擬人體肌肉的運(yùn)動模式, 開發(fā)出能自動力的高效動力機(jī)構(gòu)。
為各個系統(tǒng)提供能源, 外骨骼裝備要求能源系統(tǒng)具有高效便攜安全, 可以使用高效能源電池, 或者多種能源混合使用, 如太陽能風(fēng)能等, 甚至可以開發(fā)便攜式核能源。
其工作原理一般為:根據(jù)仿生學(xué)、動力學(xué)等原理, 設(shè)計機(jī)械機(jī)構(gòu)組成外骨骼框架;在人體和外骨骼系統(tǒng)中安防各種傳感器, 如在關(guān)節(jié)部位安裝角度傳感器, 在足底等支撐位置安裝壓力傳感器, 在人體皮膚上安裝生理信號傳感器, 實(shí)時感知人體的運(yùn)動信息和生理信息;傳輸?shù)角度胧接嬎銠C(jī)中, 計算機(jī)綜合各傳感信息, 并通過相應(yīng)的感知和預(yù)測算法, 感知人體姿態(tài)并對運(yùn)動做出預(yù)測;控制系統(tǒng)綜合各種信息, 將之轉(zhuǎn)化為控制參數(shù), 驅(qū)動外骨骼框架運(yùn)動, 實(shí)時追蹤人體運(yùn)動并對人體運(yùn)動提供高效的助力。最終能達(dá)到人機(jī)一體化。
現(xiàn)在已經(jīng)有好幾個國家都做出了自己的外骨骼裝備, 有的已經(jīng)在應(yīng)用于部隊。但是還是有許多明顯的問題:BLEEX裝置由于其能耗過大, 穿戴者長時間使用會導(dǎo)致膝蓋不適, 因此并未獲得進(jìn)一步地資助;XOS2系統(tǒng)因?yàn)樽詭щ姵刂荒苡?0分鐘, 導(dǎo)致其始終離不開地面供電, 因此至今也未投入使用?，F(xiàn)階段的外骨骼裝備尚存在以下幾點(diǎn)不足:
1.能源:外骨骼裝備要求高效長久輕便安全的能源供給, 現(xiàn)階段的能源還做不到這一點(diǎn), 需要開發(fā)設(shè)計出續(xù)航時間長、質(zhì)量功率比高、安全性能符合要求的專用動力輸出能源, 另一方面應(yīng)該盡量減少機(jī)械部分的能源消耗, 通過智能化管理實(shí)現(xiàn)能源的高效管理和利用。
2.機(jī)械結(jié)構(gòu)不夠擬人化:機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要滿足輕質(zhì)、舒適、堅韌和承力的要求, 可以應(yīng)用新型復(fù)合材料作為外骨骼的主要框架, 在提升強(qiáng)度的同時減輕質(zhì)量。舒適性不僅是穿戴后人體靜止的感受, 更重要的是減少人體運(yùn)動時的約束感, 對于單兵系統(tǒng)中的應(yīng)用, 還要求具有良好的便攜性, 同時方便穿戴和脫下。
3.人機(jī)接口技術(shù)不完善:外骨骼技術(shù)的核心就是人機(jī)完美結(jié)合, 機(jī)器要能準(zhǔn)確地了解穿戴者的運(yùn)動和運(yùn)動趨勢并在短時間內(nèi)做出反應(yīng), 由于人體的關(guān)節(jié)系統(tǒng)非常復(fù)雜, 需要應(yīng)用大量的傳感器, 對準(zhǔn)確性要求非常大, 而且要依靠先進(jìn)的算法快速做出分析并做出反應(yīng)。
4.驅(qū)動機(jī)構(gòu)技術(shù):驅(qū)動技術(shù)就好比外骨骼的“肌肉”, 是外骨骼裝備中提供動力的裝置, 需要綜合運(yùn)用液壓、氣壓和電動等多種驅(qū)動方式, 這3種方式各有利弊, 所以要根據(jù)各個關(guān)節(jié)動力學(xué)的情況, 全面綜合應(yīng)用各種驅(qū)動方式, 實(shí)現(xiàn)快速精確地響應(yīng)。
外骨骼技術(shù)可以大大增強(qiáng)士兵的負(fù)重能力, 從而可以攜帶更多的武器裝備;可以提升士兵的防御力, 因?yàn)闄C(jī)械的承載能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人體, 如果再加上適合單兵的復(fù)合材料裝甲, 將會將單兵防御能力提升到一個新的水平;它可以提高士兵的機(jī)動能力, 可以讓士兵快速地到達(dá)戰(zhàn)場的任何角落, 甚至在將來, 飛行能力也被集成到外骨骼裝備中, 這將大大提高單兵的機(jī)動能力, 還可以提升戰(zhàn)場感知能力, 可以在外骨骼上加裝圖傳感器系統(tǒng), 以加強(qiáng)士兵的戰(zhàn)場態(tài)勢感知能力, 還可以加裝衛(wèi)星通信和定位裝置, 使每個士兵都成為一個網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn), 可以使士兵更好地應(yīng)對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境。這些優(yōu)點(diǎn)都說明外骨骼裝備將在未來戰(zhàn)場上具有廣闊的應(yīng)用前景。
目前擺在需要解決的問題還有很多, 未來的外骨骼需要更加巨大的能源, 更先進(jìn)的操控, 更敏感的傳感器, 更加先進(jìn)的設(shè)計, 這些與先進(jìn)武器裝備相結(jié)合, 會使普通士兵變成可以在負(fù)載很多的情況下也可以快速運(yùn)動的超級戰(zhàn)士, 那么可以想象這樣的士兵會是多么恐怖。
結(jié)語
外骨骼作為一項(xiàng)可以大幅度提高單兵作戰(zhàn)能力的技術(shù), 可以很好地適應(yīng)未來的戰(zhàn)場格局。現(xiàn)在外骨骼技術(shù)在雖然發(fā)展迅速, 但是仍有許多問題需要解決。目前各國都在加緊研究外骨骼技術(shù), 以提升自己的單兵作戰(zhàn)能力, 相信不遠(yuǎn)的將來就會有更多更加先進(jìn)的外骨骼裝備。
[1]張向剛.人體外骨骼技術(shù)綜述[A].成都, 電子科技大學(xué), 2015, 4-5.
[2]牛貴君.美軍外骨骼裝備研究及應(yīng)用[J].廣州, 軍事體育應(yīng)用研究中心, 2013, 94.
[3]邢凱.外骨骼機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備, 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.國內(nèi)外助行動力外骨骼研究進(jìn)展[A].北京, 清華大學(xué)摩擦學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室智能生物機(jī)械分室, 201926-927.
[6]李會營.外骨骼裝備在未來單兵系統(tǒng)中的應(yīng)用前景[D].太原, 中北大學(xué), 2012, 275-276.
