張子琛 劉鳴 王博崇 陳昱興 方霈澤 蔣金佐 吳琦鳴

摘要：隨著當(dāng)今國家經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展和科技水平的不斷提高，我國正努力探尋能代替或者輔助人類勞動的器械，以減輕人的負(fù)擔(dān)和不必要的損失。于是，外骨骼應(yīng)運而生，它不僅能將人從傳統(tǒng)高強度的體力作業(yè)中解放出來，還能幫助人們訓(xùn)練以提高身體素質(zhì)，這就使得生產(chǎn)效率大幅度提高。在我國，國內(nèi)消防員的傷亡率是非常高的，若是將外骨骼向堅固化和持久化方向上發(fā)展，肯定會大幅度降低消防員的傷亡率，本文將對近幾年來的智能消防中消防外骨骼的經(jīng)驗進(jìn)行基礎(chǔ)性整理和分析。

關(guān)鍵詞：智能消防;消防外骨骼

中圖分類號：TU998.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ?文章編號：2096-1227（2021）06-0013-02

一、外骨骼的產(chǎn)生背景

“外骨骼”的說法最早起源于21世紀(jì)初的美國軍方。在當(dāng)時，美國國防部為了提高士兵的整體素質(zhì)以及單兵作戰(zhàn)能力，提出了“外骨骼機(jī)器人”的概念，并迅速開始投入研究。

二、外骨骼的類型與研究意義

外骨骼機(jī)器人可分為上肢外骨骼和下肢外骨骼。從功能的角度來看，它可以分為兩類：一方面是服務(wù)于老年群體的支撐型外骨骼，另一類是服務(wù)于殘疾人和部分喪失運動功能的病人，用于輔助其行走和康復(fù)的。另一方面，外骨骼用于增進(jìn)人體的負(fù)重能力和肌肉力量。隨著搶險救援裝備的不斷融合與增加，消防員作業(yè)能力也隨之急劇上升，而消防員在執(zhí)行任務(wù)時將會攜帶更多的裝備，因此質(zhì)量問題成為消防員搶險作業(yè)應(yīng)激性與生存能力的一個障礙。外骨骼機(jī)器人能提高消防救援人員的裝備承載能力，可以使消防員輕松承受并單人運輸較大質(zhì)量甚至高達(dá)噸級的搶險救援裝備，其本身的動力裝置和運動系統(tǒng)能夠使消防救援人員不感疲倦地做距離遠(yuǎn)、時間久的高強度運動，同時也可以給消防救援人員提供堅實的防御，實現(xiàn)人的靈活性與器械的機(jī)動性、智慧與工具的完美結(jié)合。此外，外骨骼機(jī)器人應(yīng)用范圍也非常廣泛，它可應(yīng)用于物資疏散、災(zāi)區(qū)患者轉(zhuǎn)移、施工現(xiàn)場物品搬運等工作，可以大幅度提高使用者的作業(yè)能力和工作效率;也可作為殘疾人和肢體失調(diào)者的訓(xùn)練器及輔助行走裝置等，是一個具有良好發(fā)展前景的項目，有著十分重要的社會效益。

三、驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓動力系統(tǒng)、電動力系統(tǒng)、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)以及人工肌肉驅(qū)動系統(tǒng)。下面將對以上四種系統(tǒng)進(jìn)行闡釋。

（一）液壓動力系統(tǒng)

液壓動力系統(tǒng)是以液壓油為傳遞能量的介質(zhì)，并通過液壓泵得以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的動力系統(tǒng)。這種方式相對于其他幾種是比較穩(wěn)定的，但是液壓動力系統(tǒng)中能量的損耗是相對較大的，以至于系統(tǒng)總效率低。由于液壓對液壓油的溫度變化非常敏感，所以液壓動力系統(tǒng)只能在溫度合適的地方工作。

（二）電動力系統(tǒng)

電動力系統(tǒng)現(xiàn)有兩種方案，第一種是以電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)從而帶動關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。第二種是利用電動驅(qū)桿推動，將電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)換為推桿的動能。第一種很容易拆卸，但是用這種方法做出來的外骨骼機(jī)器人質(zhì)量很大。第二種方法比第一種靈活得多，但可持續(xù)工作的時間大大縮短。

（三）氣壓驅(qū)動系統(tǒng)

氣壓驅(qū)動系統(tǒng)與液壓驅(qū)動系統(tǒng)的工作原理是極為類似的，區(qū)別就是將液體介質(zhì)換成了氣體介質(zhì)。這種驅(qū)動方式的加速是特別快的，但是空氣壓縮后再釋放，所能控制的速度以及位置是很不容易掌控的。

（四）人工肌肉驅(qū)動系統(tǒng)

人工肌肉驅(qū)動系統(tǒng)充分利用了人體的結(jié)構(gòu)特點。外骨骼電動機(jī)器人的每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由兩塊人工肌肉組成，通過肌肉來回拉動，實現(xiàn)機(jī)器人的運動。這種方式看起來是一種非常有發(fā)展前景的新興方式，但是這種造出來的人工肌肉的承受壓力載荷能力很差，其中有部分原因是因為技術(shù)仍舊不成熟，并且這種驅(qū)動方式的經(jīng)濟(jì)效益較差。

四、電氣系統(tǒng)

以BLEEX為例，每個關(guān)節(jié)有一個測量關(guān)節(jié)角的編碼器，一對測量關(guān)節(jié)角加速度的線性加速度計，整個外骨骼有8個編碼器和16個直線加速度計。每個液壓缸有1個單軸力傳感器用于力閉環(huán)控制，1個伺服閥，10個遠(yuǎn)程信號采集模塊（RIOMs）。

BLEEX的多層足底也很關(guān)鍵，每個足底包含了6個足底開關(guān)組，和1個負(fù)載分布壓力傳感器。其中足底開關(guān)組是用來檢測足底何時與地面接觸，負(fù)載壓力分布傳感器則是通過封閉壓力氣管末端的壓力傳感器檢測在雙足支撐狀態(tài)時，哪只腳承擔(dān)的重量多。

除此之外，BLEEX的總控計算機(jī)SIOM放在腰后背板下方，負(fù)責(zé)控制策略的運算和控制量的輸出。

五、外骨骼結(jié)構(gòu)、仿生和非仿生結(jié)構(gòu)各自特點

（一）仿生結(jié)構(gòu)

仿生結(jié)構(gòu)的外骨骼機(jī)器人要求人機(jī)時刻不能發(fā)生錯動，以防止不必要的器械的磨損。

（二）非仿生結(jié)構(gòu)

非仿生系統(tǒng)的外骨骼機(jī)器人人機(jī)位置不一定要匹配，但是關(guān)節(jié)各末端需要相連。

（三）外骨骼結(jié)構(gòu)

外骨骼結(jié)構(gòu)結(jié)合了仿生結(jié)構(gòu)和非仿生結(jié)構(gòu)的兩種特性，既具有仿生結(jié)構(gòu)的人機(jī)結(jié)合，又具有非仿生結(jié)構(gòu)的柔性。

六、外骨骼在我國消防方面的應(yīng)用前景

（一）在消防救援上的應(yīng)用

很多復(fù)雜的地震情況，如嚴(yán)重的崩塌、不穩(wěn)定的環(huán)境廢墟、橋梁、道路、建筑物等，長期只能依靠人體攜帶重型工具和材料進(jìn)入災(zāi)害現(xiàn)場，給救援行動造成極大的困難，嚴(yán)重影響救援人員的搜救效率。在搶險過程中，消防隊員會面臨的一些重大障礙，如坍塌的地板、滑石等，難度很大，用自己的力量消除障礙，從而節(jié)省開支。在這種情況下，當(dāng)外骨骼機(jī)器人裝備好后，無論是重載、遠(yuǎn)程遷移還是清理重大障礙物都變得輕而易舉。據(jù)有關(guān)資料顯示，當(dāng)救援人員佩戴外骨骼設(shè)備進(jìn)行救災(zāi)時，搶險救災(zāi)能力提高了3至4倍，從而大大減少了災(zāi)民的生命財產(chǎn)損失。日益復(fù)雜的火災(zāi)現(xiàn)場要求消防員攜帶越來越多的設(shè)備。有時負(fù)重甚至達(dá)到50公斤，這無疑對消防隊員的身體素質(zhì)提出了很高的要求，重負(fù)荷下有效的救援時間只是重要因素之一，節(jié)省效率的同時瞬息萬變的火災(zāi)現(xiàn)場也充滿了危險，消防員面臨著許多突發(fā)的危險。安全脫險也是自身力量雄厚、速度快的重要體現(xiàn)。外骨骼技術(shù)的應(yīng)用，一方面可以顯著提高消防員的承載能力和耐久性，延長有效救援時間，提高救援效率，改善人民生命安全;另一方面，它可以發(fā)揮消防員的身體功能，如體力、反應(yīng)速度等。顯著提高了消防人員在火災(zāi)現(xiàn)場迅速避開突發(fā)危險，將危險轉(zhuǎn)化為安全，大大提高了消防人員的反應(yīng)能力，為消防人員的生命安全提供了有力的保障。

（二）在基層消防救援戰(zhàn)訓(xùn)上的應(yīng)用

外骨骼技術(shù)在基礎(chǔ)訓(xùn)練中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，它可以通過相關(guān)調(diào)查顯示，消防員經(jīng)常在傷病情況下進(jìn)行不同程度的訓(xùn)練和救援，不僅給消防隊員的身心健康造成了更大的負(fù)擔(dān)，也給消防隊伍的轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化帶來了挑戰(zhàn)，但是外骨骼可以有效的解決這個問題。據(jù)報道，深圳某公司研制的腰部支撐外骨骼，能有效減輕腰部重量60%以上，并能提供10-15公斤的幫助。總重量小于2.5公斤。攜帶方便，使用壽命高達(dá)5億/個。如果它被廣泛應(yīng)用于普通戰(zhàn)斗的編隊中，他們會徹底解決這個問題。另一方面能有效調(diào)節(jié)員工流動和培訓(xùn)效率改善。之后外骨骼電子機(jī)器人可以掌握相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)動作。如果員工做了不符合標(biāo)準(zhǔn)動作的動作，可以糾正偏差，使受訓(xùn)者迅速形成正確的肌肉記憶，節(jié)省訓(xùn)練時間，提高訓(xùn)練效率。

七、結(jié)語

隨著外骨骼電子機(jī)器人的發(fā)展，它在醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用，如支持不能站立的病人或支持輕工業(yè)人員移動重物等，雖然外骨骼機(jī)器人已經(jīng)取得了很多成功，但不可回避的是，在技術(shù)上還存在很多障礙，另外材料和電池壽命是克服行業(yè)發(fā)展困難的必要條件，需要開發(fā)輕而強的復(fù)合材料，降低硬件成本，同時也要突破電源續(xù)航技術(shù)，提高耐用性。事實上，這兩個方面都是當(dāng)前工業(yè)面臨的問題，許多其他設(shè)備也面臨同樣的困境。即便如此，外骨骼機(jī)器人的到來也為人們提供了很多幫助，最重要的是，它帶來了一種全新的可能。本文通過對當(dāng)前我國外骨骼機(jī)器人所具備的經(jīng)驗進(jìn)行了系統(tǒng)性的整理和分析，希望能夠為研究并生產(chǎn)外骨骼機(jī)器人提供一些參考。

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