集成化智能柔性外骨骼作战系统关键技术

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1、专业资料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，张昂，李睿远(西北机电工程研究所，陕西咸阳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

2、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

3、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国内外研究现状随着士兵的生存力日益被重视，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

4、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100W，质量不到9kg，电池重约4.5kg，在一次充电后可持续工作24h，士兵背负45kg重物、以1.25m/s速度在平地行走时，可以减少25%代谢消耗。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27.7kg重物仍能正常行走，如图3所示[1]。word完美格式专业资料图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—SoftEx

5、osuit，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Superflex，如图5所示，它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。Superflex外骨骼质量约为3.63kg，电池质量为1.36kg，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

6、验word完美格式专业资料图4SoftExosuit美军正在计划将加拿大仿生电力的PowerWalk(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及腿部肌肉，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10～12W的电力，以5km/h的速度行走1h，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PowerWalk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

7、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3kg，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5Superflexword完美格式专业资料图6PowerWalk图7OX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、北海道大学、SmartSupportTechnologies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

8、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SEnS[5]。德国的FraunhoferInstitute设计研究院开展了一个名为“CareJack”的研究计划，他们正在研究一