智能消防外骨骼的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)性整理與分析

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(dòng)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(yùn)而生，它不僅能將人從傳統(tǒng)高強(qiáng)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(jiān)固化和持久化方向上發(fā)展，肯定會(huì)大幅度降低消防員的傷亡率，本文將對(duì)近幾年來的智能消防中消防外骨骼的經(jīng)驗(yàn)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(hào)：TU998.1? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?文章編號(hào)：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(shí)，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(yùn)動(dòng)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(xiǎn)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(shí)將會(huì)攜帶更多的裝備，因此質(zhì)量問題成為消防員搶險(xiǎn)作業(yè)應(yīng)激性與生存能力的一個(gè)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(yùn)輸較大質(zhì)量甚至高達(dá)噸級(jí)的搶險(xiǎn)救援裝備，其本身的動(dòng)力裝置和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)能夠使消防救援人員不感疲倦地做距離遠(yuǎn)、時(shí)間久的高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也可以給消防救援人員提供堅(jiān)實(shí)的防御，實(shí)現(xiàn)人的靈活性與器械的機(jī)動(dòng)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(yùn)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(gè)具有良好發(fā)展前景的項(xiàng)目，有著十分重要的社會(huì)效益。

三、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

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

（一）液壓動(dòng)力系統(tǒng)

液壓動(dòng)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(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的動(dòng)力系統(tǒng)。這種方式相對(duì)于其他幾種是比較穩(wěn)定的，但是液壓動(dòng)力系統(tǒng)中能量的損耗是相對(duì)較大的，以至于系統(tǒng)總效率低。由于液壓對(duì)液壓油的溫度變化非常敏感，所以液壓動(dòng)力系統(tǒng)只能在溫度合適的地方工作。

（二）電動(dòng)力系統(tǒng)

電動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)有兩種方案，第一種是以電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。第二種是利用電動(dòng)驅(qū)桿推動(dòng)，將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)換為推桿的動(dòng)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(shí)間大大縮短。

（三）氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與液壓驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)系統(tǒng)

人工肌肉驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)充分利用了人體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。外骨骼電動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由兩塊人工肌肉組成，通過肌肉來回拉動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。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?yàn)榧夹g(shù)仍舊不成熟，并且這種驅(qū)動(dòng)方式的經(jīng)濟(jì)效益較差。

四、電氣系統(tǒng)

以BLEEX為例，每個(gè)關(guān)節(jié)有一個(gè)測(cè)量關(guān)節(jié)角的編碼器，一對(duì)測(cè)量關(guān)節(jié)角加速度的線性加速度計(jì)，整個(gè)外骨骼有8個(gè)編碼器和16個(gè)直線加速度計(jì)。每個(gè)液壓缸有1個(gè)單軸力傳感器用于力閉環(huán)控制，1個(gè)伺服閥，10個(gè)遠(yuǎn)程信號(hào)采集模塊（RIOMs）。

BLEEX的多層足底也很關(guān)鍵，每個(gè)足底包含了6個(gè)足底開關(guān)組，和1個(gè)負(fù)載分布?jí)毫鞲衅?。其中足底開關(guān)組是用來檢測(cè)足底何時(shí)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(cè)在雙足支撐狀態(tài)時(shí)，哪只腳承擔(dān)的重量多。

除此之外，BLEEX的總控計(jì)算機(jī)SIOM放在腰后背板下方，負(fù)責(zé)控制策略的運(yùn)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(diǎn)

（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(shí)刻不能發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，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(dòng)造成極大的困難，嚴(yán)重影響救援人員的搜救效率。在搶險(xiǎn)過程中，消防隊(duì)員會(huì)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(shí)，搶險(xiǎn)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(cái)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(shí)負(fù)重甚至達(dá)到50公斤，這無疑對(duì)消防隊(duì)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(shí)間只是重要因素之一，節(jié)省效率的同時(shí)瞬息萬變的火災(zāi)現(xiàn)場也充滿了危險(xiǎn)，消防員面臨著許多突發(fā)的危險(xiǎn)。安全脫險(xiǎn)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(shí)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(xiǎn)，將危險(xiǎn)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(gè)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(duì)員的身心健康造成了更大的負(fù)擔(dān)，也給消防隊(duì)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(gè)問題。據(jù)報(bào)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?？傊亓啃∮?.5公斤。攜帶方便，使用壽命高達(dá)5億/個(gè)。如果它被廣泛應(yīng)用于普通戰(zhàn)斗的編隊(duì)中，他們會(huì)徹底解決這個(gè)問題。另一方面能有效調(diào)節(jié)員工流動(dòng)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(dòng)作。如果員工做了不符合標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作的動(dòng)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(shí)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(dòng)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(qiáng)的復(fù)合材料，降低硬件成本，同時(shí)也要突破電源續(xù)航技術(shù)，提高耐用性。事實(shí)上，這兩個(gè)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(duì)當(dāng)前我國外骨骼機(jī)器人所具備的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了系統(tǒng)性的整理和分析，希望能夠?yàn)檠芯坎⑸a(chǎn)外骨骼機(jī)器人提供一些參考。

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