張帆，高越,2，鞏超

（1.北京理工大學(xué)，北京 100081；2.河北民族師范學(xué)院，河北 承德 067000）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭在科技發(fā)展的加持下已從信息化時代進(jìn)入數(shù)字化時代，軍事裝備也隨著技術(shù)進(jìn)步而不斷演變更新。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭日趨局部化、復(fù)雜化和智能化的背景下，對士兵個體作戰(zhàn)能力的要求也日益提高。就單兵作戰(zhàn)能力來說，除了殺傷能力外，對各種特殊戰(zhàn)場環(huán)境的適應(yīng)力和作戰(zhàn)效能也是極為重要的衡量指標(biāo)。因此，能夠增強(qiáng)綜合作戰(zhàn)能力的單兵裝備就成為當(dāng)下研究的重要方向，其中單兵外骨骼被各國軍事裝備研究者所關(guān)注。而外骨骼裝備的工業(yè)設(shè)計對其作戰(zhàn)效能、適應(yīng)性和推廣應(yīng)用有著很大的影響，因此有必要對外骨骼裝備的設(shè)計進(jìn)行系統(tǒng)地分析和研究。拓?fù)鋬?yōu)化作為一種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法在工程設(shè)計領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而在工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，拓?fù)鋬?yōu)化也具備良好的應(yīng)用前景和廣闊的施展空間。在外骨骼這類形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能高度整合的特種裝備設(shè)計上，拓?fù)鋬?yōu)化方法的應(yīng)用具有很高的開發(fā)潛力和研究價值。

1 軍用外骨骼設(shè)計研究綜述

1.1 國內(nèi)外軍用外骨骼設(shè)計研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對于軍用外骨骼的研究積累在時間上有較大差距。歐美國家自20世紀(jì)中后期就已經(jīng)開始了針對工業(yè)和軍事領(lǐng)域的外骨骼研究，且設(shè)計并制造了種類繁多的樣機(jī)；國內(nèi)研究者關(guān)注外骨骼相關(guān)技術(shù)和設(shè)計則始于2000年以后，初期研究主要以康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域為主，后向軍工領(lǐng)域拓展[1]。

Mudie K等[2]對外骨骼裝備尚未在實戰(zhàn)中廣泛應(yīng)用的原因進(jìn)行了分析，認(rèn)為現(xiàn)有大部分研究過于關(guān)注外骨骼某項特定性能的提升而忽視了應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的整體效能；提出軍用外骨骼應(yīng)基于多性能指標(biāo)平衡和多任務(wù)協(xié)同的前提來進(jìn)行設(shè)計。Mudie K L等[3]還提出了用于評估軍用外骨骼的標(biāo)準(zhǔn)框架，以便對人穿戴外骨骼的反應(yīng)和每個階段的設(shè)備機(jī)械性能進(jìn)行整體評估。Bryan等[4]提出了一種髖關(guān)節(jié)–膝關(guān)節(jié)–踝關(guān)節(jié)外骨骼模擬器，用來測試具有高扭矩和高功率組件的多關(guān)節(jié)助力策略；使用這種外骨骼模擬器發(fā)現(xiàn)的策略將提高人體機(jī)動性，還可以探索更高扭矩的應(yīng)用，例如短跑和跳躍；該研究為外骨骼設(shè)計提供大量信息，具有較強(qiáng)的前瞻性。Proud等[5]綜述了1990年至2019年的67個獨立研究并制作了發(fā)展?fàn)顩r信息數(shù)據(jù)列表；提出要將外骨骼引入軍事環(huán)境，需要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行重大調(diào)整或定制軍事專用裝備。

張峻霞等人基于人機(jī)工程學(xué)和人體步態(tài)運動規(guī)律提出一種髖關(guān)節(jié)外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。確定了該外骨骼結(jié)構(gòu)的自由度數(shù)、運動副設(shè)置等關(guān)鍵信息，基于以上內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計，建立了虛擬樣機(jī)模型[6]。宋鵬等[7]為提高軍用外骨骼無滯后運動跟隨性能，設(shè)計了一種基于姿態(tài)傳感器和薄膜壓力傳感器的外骨骼傳感系統(tǒng)，并提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的步態(tài)識別方法。楊燦軍等[8]設(shè)計了柔性可穿戴式膝關(guān)節(jié)保護(hù)外骨骼，用于實現(xiàn)人體運動過程中膝關(guān)節(jié)負(fù)載減重及行走助力功能，并在此基礎(chǔ)上配套設(shè)計行走助力模塊。2019年，重慶牛迪科技在“超能勇士—2019”單兵外骨骼系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽中推出新一代普力負(fù)重外骨骼系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了背部負(fù)載的高效卸力，增強(qiáng)人體負(fù)載能力，通過快拆機(jī)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)單人快速穿戴和脫卸外骨骼。目前該系統(tǒng)已在一線部隊中推廣應(yīng)用，為后勤保障、醫(yī)療和邊境守備等多種實戰(zhàn)場景提供了助力[9]。余從剛等[10]針對腰部助力外骨骼機(jī)器人穿戴過程繁瑣、身體感受不良、交互體驗不佳等舒適性因素，提出一種舒適性分析評估方法和設(shè)計提升方案；通過人因模擬的方式對腰部外骨骼機(jī)器人進(jìn)行舒適性提升設(shè)計。

1.2 軍用外骨骼設(shè)計研究重點方向

1.2.1 人機(jī)協(xié)調(diào)設(shè)計。

外骨骼機(jī)動技術(shù)是囊括了傳感器、執(zhí)行器和控制器的綜合技術(shù)體系。在萬方數(shù)據(jù)庫的學(xué)術(shù)發(fā)表統(tǒng)計中，以外骨骼設(shè)計為關(guān)鍵詞的研究有45%都來自機(jī)器人研究領(lǐng)域，現(xiàn)有主動式外骨骼裝備的機(jī)動技術(shù)大部分來源于機(jī)器人技術(shù)。但從目前研究成果來看，機(jī)器人工程技術(shù)體系并沒有完美遷移到外骨骼領(lǐng)域中，其原因在于，機(jī)器人的運動只需要實現(xiàn)預(yù)期機(jī)動效果，對機(jī)動方式?jīng)]有嚴(yán)格的限制，而外骨骼裝備機(jī)動能力的核心是對人體自身運動的輔助和增強(qiáng)，需要嚴(yán)格符合人體工學(xué)要求?，F(xiàn)有的機(jī)動技術(shù)在復(fù)雜精細(xì)動作上，尚不能達(dá)到人體自身水平[11]。對于主動式外骨骼裝備來說，降低運動反饋時延則需要從傳感效率和運動模式學(xué)習(xí)等方面入手，結(jié)合腦電控制、人工智能等方式來改善隨動反饋和助力性能[12]。而對于被動式外骨骼裝備，其助力機(jī)構(gòu)通常采用彈性儲能助力設(shè)計[13]，對穿戴者自身運動的影響主要來自儲能的做功過程和機(jī)械結(jié)構(gòu)的阻尼。

無論對于主動式還是被動式外骨骼裝備，運動機(jī)構(gòu)與人體結(jié)構(gòu)、運動方式的緊密配合都是重要設(shè)計點。符合人體工學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的外骨骼結(jié)構(gòu)可以有效降低裝備對人體自身運動的不利影響和使用裝備的學(xué)習(xí)成本，提高裝備穿戴的舒適性和使用效率。外骨骼裝備的運動機(jī)構(gòu)設(shè)計可參考《GB/T 10000—1988中國成年人人體尺寸》[14]，以18～25周歲男性第50百分位為基準(zhǔn)，并針對軍人的著裝和近年來人群身高增長設(shè)定修正量。

針對士兵在不同環(huán)境和作戰(zhàn)科目下的運動狀態(tài)，外骨骼裝備應(yīng)具備對應(yīng)的反饋和助力模式，從而提高裝備適應(yīng)性和能量利用率。通過分析人體在行走和奔跑時的步態(tài)可以了解外骨骼在這兩種行為模式下工作方式的不同性能要求。人的行走步態(tài)和奔跑步態(tài)見圖1—2。

圖1 行走步態(tài)周期Fig.1 Walking gait cycle

圖2 奔跑步態(tài)周期Fig.2 Running gait cycle

1.2.2 高比強(qiáng)度機(jī)身設(shè)計

外骨骼裝備本身的重量對于使用者仍然是一項負(fù)載，外骨骼裝備的自重越大，其助力效率就越低。外骨骼的動力輸出模式會影響裝備自重，使用電機(jī)、液壓等方式驅(qū)動外骨骼需要使用大量金屬材料，從而增加整個裝備的重量。為了實現(xiàn)長期高強(qiáng)度的運轉(zhuǎn)，構(gòu)成外骨骼裝備的材料應(yīng)具有穩(wěn)定的理化性能包括：耐疲勞、磨損、腐蝕，能夠耐受頻繁沖擊和應(yīng)力變化的嚴(yán)苛力學(xué)環(huán)境。因此，外骨骼裝備通常采用高比強(qiáng)度的材料來進(jìn)行制造，例如碳纖維、硼纖維復(fù)合材料和鈦合金等輕質(zhì)合金材料[9]。

同時，外骨骼裝備的結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響產(chǎn)品的性能和成本。近年來研究者越來越關(guān)注外骨骼裝備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，例如，通過拓?fù)鋬?yōu)化和生成式設(shè)計來制造具有輕量化結(jié)構(gòu)的支撐組件[15]。因此，在保證裝備強(qiáng)度和穩(wěn)定性要求的基礎(chǔ)上，外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)盡量降低裝備的自重，提高助力性能。輕量化設(shè)計需要使用高比強(qiáng)度材料和輕量化結(jié)構(gòu)來配合實現(xiàn)，利用材料本身物理性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過一體化組件來實現(xiàn)儲能、助力、支撐等功能的整合。

2 軍用外骨骼原型設(shè)計實驗

本實驗旨在探索如何使用拓?fù)鋬?yōu)化方法在不降低機(jī)身力學(xué)性能條件下，實現(xiàn)良好的人機(jī)協(xié)調(diào)，減輕裝備的自重，從而提高士兵穿戴外骨骼裝備后的運動表現(xiàn)。與此同時，可以考察拓?fù)鋬?yōu)化方法生成的形態(tài)結(jié)構(gòu)是否可以兼顧可用性和美觀性，實現(xiàn)外骨骼裝備功能與形態(tài)的協(xié)調(diào)。

2.1 實驗工具

本研究所用到的實驗工具為工業(yè)設(shè)計軟件和拓?fù)鋬?yōu)化軟件，見表1。

表1 實驗軟件Tab.1 Software used in the experiment

Rhinoceros具有良好的數(shù)字模型兼容性能，可以解決不同步驟模型數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換問題；Grasshopper提供了參數(shù)化設(shè)計環(huán)境和多種三維數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了設(shè)計、測試與優(yōu)化相整合的實驗條件。

拓?fù)鋬?yōu)化軟件Ameba采用謝億民[16]團(tuán)隊研發(fā)的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法（BESO），能夠同時對拓?fù)鋯卧M(jìn)行刪減和添加。Ameba提供免費的云計算資源，運算速度不受單機(jī)算力的限制，解決了拓?fù)鋬?yōu)化過程的實時可視化問題。

2.2 實驗方法

第1步，以《GB/T 15499—1995事故傷害損失工作日標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)節(jié)活動度數(shù)據(jù)[17]（見表2）確定外骨骼原型的運動機(jī)構(gòu)自由度，在Rhinoceros中進(jìn)行原始模型搭建。由于后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計工作需要在Mesh核心的拓?fù)鋬?yōu)化算法環(huán)境中完成，所以需要將模型轉(zhuǎn)換為多邊形格式，這與常規(guī)設(shè)計流程中使用的曲面模型有所不同。

表2 關(guān)節(jié)活動度[17]Tab.2 The Range of Motion[17]

第2步，將原始模型的各個部件輸入Grasshopper，獲得可進(jìn)行優(yōu)化計算的參數(shù)化模型。

第3步，參數(shù)模型搭建完畢后，即可根據(jù)設(shè)計要求輸入物理約束條件，進(jìn)行有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化。由于Ameba對有限元細(xì)分?jǐn)?shù)量進(jìn)行了限制（10 000個單元以下），為了獲得最高優(yōu)化精度，應(yīng)對各個部件分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算，計算過程見圖3。

圖3 拓?fù)鋬?yōu)化過程Fig.3 Topological optimization process

第4步，對優(yōu)化后的多邊形模型進(jìn)行曲面重建，獲得可制造的數(shù)字模型，通過其與原始模型的體積比來評估優(yōu)化效果。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

在奔跑狀態(tài)下，人體豎直方向上所受沖量提供的加速度約為2.5倍重力加速度[18]，考慮到極端情況設(shè)定為3倍。以單兵負(fù)重上限25 kg為基準(zhǔn)，本外骨骼裝備所受到的最大過載為負(fù)重重力的3倍，即為735N，以此可以確定各部件受力極值。根據(jù)原型設(shè)計中負(fù)重的掛載位置和各部件的裝配情況，力學(xué)約束條件數(shù)據(jù)見表3，各部件受力的矢量空間分布見圖4。

圖4 受力矢量分布（左、中、右分別為背部、腰部、腿部）Fig.4 Force vector distribution (left: dorsum,middle: waist, right: leg)

表3 部件力學(xué)約束條件數(shù)據(jù)Tab.3 Software used in the experiment

當(dāng)優(yōu)化過程迭代（Iteration）至50代后，體積分?jǐn)?shù)（Volume Fraction）穩(wěn)定在0.5，即可在原始參數(shù)模型基礎(chǔ)上減重50%；經(jīng)過多次拓?fù)鋬?yōu)化測試，減重的極限比例可以達(dá)到62%。由于拓?fù)鋬?yōu)化所生成的3D模型為多邊形Mesh，其表面存在大量由拓?fù)溆嬎惝a(chǎn)生的凹凸結(jié)構(gòu)，無法進(jìn)行批量化制造和后處理，所以需要對其進(jìn)行重建，以修整其不規(guī)則表面。在Rhinoceros中對原型進(jìn)行曲面重建后，外骨骼部件的減重比例見表4，優(yōu)化結(jié)果對比見圖5。完成拓?fù)鋬?yōu)化后，整個外骨骼體積為3 784 cm3，若以密度1.8 g/cm3的碳纖維復(fù)合材料為主體材料，外骨骼整體質(zhì)量可以控制在6.9 kg以內(nèi)。

圖5 原始模型（左）與優(yōu)化模型對比（右）Fig.5 Comparison between original model(left) and optimized model (right)

表4 各部件減重比例Tab.4 Lightweight proportion of each module

實驗表明：

1）在進(jìn)行運動機(jī)構(gòu)設(shè)計時需要對三維模型進(jìn)行參數(shù)化轉(zhuǎn)換才能進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，且在優(yōu)化完成后要對多邊形格式的模型進(jìn)行曲面重建，增加了一定的設(shè)計步驟。

2）通過拓?fù)鋬?yōu)化方法可以在不影響外骨骼裝備整體性能的前提下大幅度降低裝備的自重，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具有明顯的優(yōu)勢。雖然后續(xù)的結(jié)構(gòu)重建抵消了部分減重效果，但裝備原型部件的減重比例均超過了20%，這在結(jié)構(gòu)緊湊的可穿戴型軍用裝備中具有顯著的應(yīng)用價值。

3）經(jīng)過設(shè)計重建后，外骨骼裝備的形態(tài)呈現(xiàn)為類似生物骨骼微孔結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計形式，在滿足功能要求的同時，也實現(xiàn)了形態(tài)設(shè)計的創(chuàng)新。

3 軍用單兵外骨骼裝備設(shè)計要素與對策

人在行走時，上身的能量消耗來自人體為了保持直立體態(tài)、支撐體重和負(fù)重所產(chǎn)生的持續(xù)性肌肉收縮，以軀干核心肌群的工作為主。身體重心高度波動較為平緩，勢能變化很小，可利用的部分也就極少。此時可利用的機(jī)械能主要是由腿部以各關(guān)節(jié)為軸的復(fù)雜運動過程中肌肉收縮所產(chǎn)生的。因此，外骨骼的行走模式應(yīng)以助力負(fù)重為主要設(shè)計目標(biāo)，使外骨骼在跟隨人體運動的同時保持一定的整體支撐性能。在行走步態(tài)下外骨骼的助力儲能結(jié)構(gòu)應(yīng)能夠收集各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時的富余動能，在步態(tài)切換時進(jìn)行釋放。同時外骨骼應(yīng)能夠通過靜力傳遞代替身體承擔(dān)部分體重和外部負(fù)重，從而減輕人體負(fù)擔(dān)。

人在奔跑時，重心高度波動大幅增加，步態(tài)切換的頻率提高。由于擺腿幅度增加，此時人的支撐腿是在彎曲的情況下負(fù)重的。所以，在奔跑狀態(tài)下外骨骼很難通過靜力傳遞來分擔(dān)重量，各關(guān)節(jié)處能夠收集的主要是重力勢能。外骨骼的奔跑模式應(yīng)以助力運動為主要設(shè)計目標(biāo)，通過儲能結(jié)構(gòu)收集人體運動時的富余動能，通過儲能——釋放的反復(fù)過程輔助運動，提高人在高強(qiáng)度運動時的耐力。

3.1 符合人體工學(xué)的運動機(jī)構(gòu)與自由度設(shè)計

1）鏈?zhǔn)侥K化背部支柱。利用類似人體脊椎的鏈?zhǔn)侥K組合可有效解決外骨骼背部組件需要兼顧承重和活動功能的自由度設(shè)計需求。背部模塊與腰髖

部模塊通過人體接觸側(cè)的隱藏式鉸鏈進(jìn)行連接，背部支撐小件的結(jié)合方式與其相同。鉸鏈連接可以提供躬身動作的自由度，同時能夠?qū)崿F(xiàn)背部挺直時的支撐。背部模塊尺寸可以通過增減支撐小件數(shù)量來進(jìn)行大幅調(diào)整，通過調(diào)節(jié)鉸鏈固定螺絲位置進(jìn)行微調(diào)。背部綁帶位于背闊肌位置處的承重件上，與人體負(fù)重掛載位置接近。背部模塊設(shè)計方案見圖6。

圖6 背部模塊Fig.6 Dorsum module

2）萬向接頭式髖部關(guān)節(jié)。由于人體髖部運動涉及多個方向，利用萬向接頭可以解決外骨骼組件與肢體運動不同軸、不同心的實際問題，高度配合人體自由度，降低裝備對人體運動的阻力。腰髖部模塊包括腰部綁定件和髖部連接件，組件之間通過萬向連接件相連。萬向連接件能夠在提供矢狀面和冠狀面自由度的同時承載背部負(fù)重。由于萬向連接件為整個外骨骼產(chǎn)品中受力面積最小的部件，因此對其抗剪強(qiáng)度具有較高要求，一般考慮使用碳氮共滲處理的低碳合金鋼或性能更優(yōu)材料來進(jìn)行制造。腰髖部模塊設(shè)計方案見圖7。

圖7 腰髖部模塊Fig.7 Waist and hip module

3）承重與助力一體化腿部模塊。大腿部和小腿部模塊功能統(tǒng)一，在靜止時作為重力向下傳遞的支撐件，在運動時作為人體富余動能的驅(qū)動臂，彼此之間通過膝部儲能關(guān)節(jié)相連。為了適配不同的人體尺寸，這兩個模塊通過可調(diào)節(jié)固定位置的碳纖維板條與腰髖部和腳部模塊進(jìn)行連接。腿部模塊設(shè)計方案見圖8。

圖8 腿部模塊Fig.8 Leg module

4）彈性儲能式膝部關(guān)節(jié)。膝部關(guān)節(jié)為外骨骼的核心助力模塊，通過人體行走奔跑時腿部肌肉作用于膝部的力和身體重力來驅(qū)動內(nèi)置的儲能結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)動能的儲存和釋放。膝部關(guān)節(jié)在矢狀面上設(shè)計了自由度，其旋轉(zhuǎn)軸可調(diào)節(jié)到與人體膝蓋彎曲軸心一致的位置上，以便高效收集動能，更好地契合人體運動自由度。本原型采用渦卷彈簧作為儲能部件，位于膝關(guān)節(jié)外側(cè)，渦卷平面平行于矢狀面。在人體跑動中，腿部彎曲增大，負(fù)載的重力會加載在人體和膝部關(guān)節(jié)模塊上，隨著重心的變化，一部分勢能被渦卷彈簧回收。外骨骼組件與渦卷彈簧的聯(lián)動可以通過拆裝內(nèi)部軸銷來進(jìn)行快速離合。當(dāng)士兵需要進(jìn)行復(fù)雜戰(zhàn)術(shù)動作時能夠解除助力部件的做功行程，從而實現(xiàn)運動模式的切換。膝部關(guān)節(jié)設(shè)計方案見圖9。

圖9 膝部關(guān)節(jié)Fig.9 Knee joint

5）可替換足部模塊。足部模塊主要用于承接其他模塊傳遞下來的重力，并傳導(dǎo)至地面。在輔助負(fù)重設(shè)計上，負(fù)載（行軍背包）重心與足部模塊地面支撐點的水平距離一般在100～200 mm，而負(fù)重掛載高度在1 400 mm左右。當(dāng)人在站立和行走時，大部分負(fù)重經(jīng)由足部模塊進(jìn)行支撐。由于人體在運動時足部頻繁接受沖擊，所以足部模塊在設(shè)計時充分考慮了材料損耗，設(shè)計為易于拆裝的可替換件。足部模塊設(shè)計方案見圖10。

圖10 足部模塊Fig.10 Foot module

3.2 基于拓?fù)鋬?yōu)化的外骨骼形態(tài)設(shè)計

1）拓?fù)鋬?yōu)化對象選擇。在對外骨骼進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計時，不宜將全部部件進(jìn)行統(tǒng)一的優(yōu)化計算。其原因在于，拓?fù)鋬?yōu)化算法需要使用大量的計算資源，涉及部件越多，計算速度越慢。而且現(xiàn)有拓?fù)鋬?yōu)化工具對計算精度都有一定的限制，對所有部件進(jìn)行優(yōu)化是對計算精度的浪費。對其他非核心零部件或體量較小的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來說，進(jìn)行優(yōu)化反而會降低設(shè)計效率，提高制造成本。因此，比較高效的設(shè)計方法是先篩選產(chǎn)品需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的核心零部件，對其進(jìn)行逐一的分析和計算，這樣能夠最大限度地利用拓?fù)溆嬎阗Y源，提高優(yōu)化精度。

2）拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)設(shè)定。明確優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，準(zhǔn)確設(shè)置優(yōu)化參數(shù)。拓?fù)鋬?yōu)化參數(shù)的設(shè)定需要根據(jù)不同的優(yōu)化目標(biāo)確定相應(yīng)的極值，其限定維度是多元的，可以限定體積目標(biāo)，也可以限定受力目標(biāo)。在本研究中，外骨骼裝備所受載荷數(shù)值遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，因此通過體積分?jǐn)?shù)作為拓?fù)鋬?yōu)化目標(biāo)，可以順利實現(xiàn)輕量化的優(yōu)化效果；而在某些體積不受限，受力狀態(tài)較為極端的產(chǎn)品設(shè)計時，應(yīng)以受力極值作為拓?fù)鋬?yōu)化的首要目標(biāo)。

3）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計流程。拓?fù)鋬?yōu)化生成的計算結(jié)果可以清晰地呈現(xiàn)部件的力學(xué)特征，在概念設(shè)計階段能夠提供一定的造型設(shè)計參考。因此，拓?fù)鋬?yōu)化在整個工業(yè)設(shè)計流程中不僅是一種設(shè)計優(yōu)化和驗證工程，也能夠作為一種設(shè)計概念方案生成的輔助工具。引入拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計流程應(yīng)該是迭代的、非線性的。

4）拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果。對于外骨骼裝備設(shè)計來說，人體工學(xué)可用性和力學(xué)性能是同等重要的。因此，外骨骼的造型設(shè)計需要與工程設(shè)計相結(jié)合，拓?fù)鋬?yōu)化方法可以解決這個問題。但是，目前工程軟件所包含的拓?fù)鋬?yōu)化工具對工業(yè)設(shè)計流程并不友好，而適配工業(yè)設(shè)計軟件的優(yōu)化工具需要解決設(shè)計結(jié)果的重建問題，這給拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計結(jié)果的制造帶來了一定的限制。利用拓?fù)鋬?yōu)化方法生成的結(jié)構(gòu)部件很難通過傳統(tǒng)減材制造方式進(jìn)行批量化生產(chǎn)，而通過增材制造的方式可以處理更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形態(tài)。增材制造技術(shù)是未來外骨骼裝備制造的必要手段。與此同時，拓?fù)鋬?yōu)化算法所形成的類似骨骼組織的仿生結(jié)構(gòu)也為外骨骼裝備的造型設(shè)計提供了一種新的設(shè)計思路與造型理念。外骨骼整機(jī)效果圖見圖11。

圖11 外骨骼整機(jī)Fig.11 Overall unit of exoskeleton

4 結(jié)語

外骨骼裝備一直是軍工產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點，近年來隨著智能控制、材料研發(fā)和制造工藝的進(jìn)步，軍用外骨骼的設(shè)計也有了新的進(jìn)展。結(jié)合對外骨骼發(fā)展趨勢和重點研究的分析，本研究歸納出了人機(jī)協(xié)調(diào)設(shè)計、高比強(qiáng)度形態(tài)設(shè)計兩個設(shè)計重點方向。拓?fù)鋬?yōu)化方法能夠深度融入工業(yè)設(shè)計流程，從而實現(xiàn)外骨骼裝備形態(tài)結(jié)構(gòu)與人體工學(xué)運動機(jī)構(gòu)的整合設(shè)計。與此同時，通過拓?fù)鋬?yōu)化獲得的設(shè)計方案在滿足軍用單兵外骨骼裝備功能需求的同時，呈現(xiàn)出一種全新的形態(tài)設(shè)計風(fēng)格。基于拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計方法為未來的軍事裝備工業(yè)設(shè)計提供了一種形態(tài)結(jié)構(gòu)與功能高度契合的設(shè)計思路，具有重要參考價值和廣泛應(yīng)用前景。