单兵外骨骼装备技术简介

《单兵外骨骼装备技术简介》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、单兵外骨骼装备技术简介　　摘要：当前世界上很多国家，为了应对不断变化的军事变革，都在大力提升自己的单兵作战能力，而这就要依托于先进的武器装备，使得士兵的负重也大大增加，增大了作战难度。而外骨骼装备的出现及应用将改变这种局面。它不但可以增强士兵的负重能力，是一个非常不错的武器搭载平台，同时可以提升士兵的机动性和防御能力。因此外骨骼技术作为一项前沿科技，势必在未来战场上起到很大的作用，具有十分广阔的应用前景。　　关键词：单兵系统；外骨骼；应用前景　　中图分类号：TP311文献标识码：A　　一、外骨骼技术介绍　

2、　外骨骼（Exoskeleton）这一名词，来源于生物学昆虫和壳类动物的坚硬外壳，它是一种能够提供对生物柔软内部器官进行构型，建筑和保护的坚硬的外部结构。人体外骨骼系统是一个穿戴在操作者身体外部的：“机器人”他能对穿戴者提供支撑保护的同时还可以为人体提供额外的动力和感知能力，可以大大地增加人体机能。　　外骨骼技术是人体与机器的完美融合，穿戴者和外骨骼成为了一个闭环的协同系统。机器通过多种传感器实时感知穿戴者的运动状态和运动意图，并进行实时分析，快速做出反应，以实现人机多自由度、多运动状态的运动辅助，并对穿

3、戴者的行为运动进行放大，提升人体机能。7　　（一）单兵外骨骼技术的研究背景　　未来战争，越来越趋近小型化、特种化，所以单兵作战能力就显得越来越重要，战场上要求士兵拥有超强的作战能力及侦查能力，但是有时候受到地形、负重等因素的限制，人体机能的极限已经无法适应瞬息万变的战场情况。在这种情况下，能够提高士兵身体机能的外骨骼装备就成为解决这个问题的最好方案。　　（二）国内外研究现状　　目前，大多数国家对于外骨骼的研究都还属于初步阶段，比较先进的有美国和日本。而我国对外骨骼领域的探索比较晚，但随着外骨骼机器人在社会

4、上的需求量不断增大，我国也在这个领域投入了比较大的研究力量，也取得了一些成果。近年来的代表成果有伯克利大学的BLEEX系统，雷神公司的XOS2系统，还有国内自主研发的中国单兵外骨骼系统。下面就一一简单介绍。　　1.伯克利大学的BLEEX系统7　　BLEEX系统是伯克利大学设计研发的一款人体外骨骼系统（图1）。它主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构等构成，穿戴者要通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的大背包，穿戴者进行运动的时候，位于腿部

5、的传感器会搜集运动信号，并实时做出反应，通过液压系统为外骨骼系统提供动力，从而达到运动辅助的功能，此装置的最大负重是32kg，但是对于穿戴者来说，他只感到背负了2kg一样，这可以大大提升士兵的负重能力。但是对于战场使用来说，这个装置体积过大，对使用者的行动有所限制，导致使用环境受到限制，可靠性和自持能力还有待提高，因此作为军事用途还远远不能达到要求。　　2.雷神公司的XOS2系统　　XOS2系统（图2）是美国某公司开发的第二代外骨骼装置，它由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构成，由高压液压驱动。相对

6、于伯克利大学的BLEEX系统来说，这个系统更像是一个全身外骨骼。借助于XOS2，穿戴者可轻松将90kg的重物举起几百次，同时不会感到疲劳，此外还可重复击穿约合7.62cm厚的木板。除此之外，穿着者还能灵活运动，可以进行诸如俯卧撑、爬楼梯、踢足球等复杂运动。但它最大的缺陷就是要拖着一条外接电缆。而自带电池只够使用40分钟，所以还需要解决的问题还有很多。　　3.中国单兵外骨骼系统　　中国单兵外骨骼系统（图3）是由中国兵器集团某研究所研制的外骨骼系统，它的额定背负是35kg，额定搬运是50kg，在背负35kg的

7、情况下，平地步速4.5km/h，平地行走续航里程20km。该新型外骨骼若装备部队，可提高高原部队的单兵负重量，提升单兵侦查能力，可执行高原单兵巡逻、山地单兵巡逻、跨越障碍等任务。　　（三）外骨骼装置的结构与原理　　外骨骼装置主要包括机械外框架、感知系统、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源动力6大部件。结构如图4所示。　　1.7仿形机械结构装置：采用仿生技术和先进制造技术打造出的外骨骼外框架，能与人体完美结合，同时具有高强度、质量轻等优点，轻质与坚韧的实现需要高强度多功能一体化的复合材料，新材料应具有综

8、合力学性能优异、可设计性强、一次成型等优点，舒适性要求最小化穿戴者运动时的约束感，应该依照仿生学原理，根据人体外形设计出合适的结构，同时外骨骼应有应急保护机制，在出现故障时能轻松脱下。　　2.智能感知系统：通过多传感器和数据融合系统感知穿戴者的运动姿态和生理状态，同时预测穿戴者的运动意图，人体的运动状态是非常复杂的，每时每刻都不停地在变化，所以就需要传感器能够快速且精准地感受当前的运动状态，需要综合使用多种传感器，例如惯性传感