智能消防外骨骼的经验基础性整理与分析

张子琛 刘鸣 王博崇 陈昱兴 方霈泽 蒋金佐 吴琦鸣

摘要：随着当今国家经济水平的快速发展和科技水平的不断提高，我国正努力探寻能代替或者辅助人类劳动的器械，以减轻人的负担和不必要的损失。于是，外骨骼应运而生，它不仅能将人从传统高强度的体力作业中解放出来，还能帮助人们训练以提高身体素质，这就使得生产效率大幅度提高。在我国，国内消防员的伤亡率是非常高的，若是将外骨骼向坚固化和持久化方向上发展，肯定会大幅度降低消防员的伤亡率，本文将对近几年来的智能消防中消防外骨骼的经验进行基础性整理和分析。

关键词：智能消防;消防外骨骼

中图分类号：TU998.1       文献标识码：A       文章编号：2096-1227（2021）06-0013-02

一、外骨骼的产生背景

“外骨骼”的说法最早起源于21世纪初的美国军方。在当时，美国国防部为了提高士兵的整体素质以及单兵作战能力，提出了“外骨骼机器人”的概念，并迅速开始投入研究。

二、外骨骼的类型与研究意义

外骨骼机器人可分为上肢外骨骼和下肢外骨骼。从功能的角度来看，它可以分为两类：一方面是服务于老年群体的支撑型外骨骼，另一类是服务于残疾人和部分丧失运动功能的病人，用于辅助其行走和康复的。另一方面，外骨骼用于增进人体的负重能力和肌肉力量。随着抢险救援装备的不断融合与增加，消防员作业能力也随之急剧上升，而消防员在执行任务时将会携带更多的装备，因此质量问题成为消防员抢险作业应激性与生存能力的一个障碍。外骨骼机器人能提高消防救援人员的装备承载能力，可以使消防员轻松承受并单人运输较大质量甚至高达吨级的抢险救援装备，其本身的动力装置和运动系统能够使消防救援人员不感疲倦地做距离远、时间久的高强度运动，同时也可以给消防救援人员提供坚实的防御，实现人的灵活性与器械的机动性、智慧与工具的完美结合。此外，外骨骼机器人应用范围也非常广泛，它可应用于物资疏散、灾区患者转移、施工现场物品搬运等工作，可以大幅度提高使用者的作业能力和工作效率;也可作为残疾人和肢体失调者的训练器及辅助行走装置等，是一个具有良好发展前景的项目，有着十分重要的社会效益。

三、驱动系统

驱动系统可分为液压动力系统、电动力系统、气压驱动系统以及人工肌肉驱动系统。下面将对以上四种系统进行阐释。

（一）液壓动力系统

液压动力系统是以液压油为传递能量的介质，并通过液压泵得以实现能量转换的动力系统。这种方式相对于其他几种是比较稳定的，但是液压动力系统中能量的损耗是相对较大的，以至于系统总效率低。由于液压对液压油的温度变化非常敏感，所以液压动力系统只能在温度合适的地方工作。

（二）电动力系统

电动力系统现有两种方案，第一种是以电动机转子的旋转从而带动关节的旋转。第二种是利用电动驱杆推动，将电动机的旋转动能转换为推杆的动能。第一种很容易拆卸，但是用这种方法做出来的外骨骼机器人质量很大。第二种方法比第一种灵活得多，但可持续工作的时间大大缩短。

（三）气压驱动系统

气压驱动系统与液压驱动系统的工作原理是极为类似的，区别就是将液体介质换成了气体介质。这种驱动方式的加速是特别快的，但是空气压缩后再释放，所能控制的速度以及位置是很不容易掌控的。

（四）人工肌肉驱动系统

人工肌肉驱动系统充分利用了人体的结构特点。外骨骼电动机器人的每个旋转关节由两块人工肌肉组成，通过肌肉来回拉动，实现机器人的运动。这种方式看起来是一种非常有发展前景的新兴方式，但是这种造出来的人工肌肉的承受压力载荷能力很差，其中有部分原因是因为技术仍旧不成熟，并且这种驱动方式的经济效益较差。

四、电气系统

以BLEEX为例，每个关节有一个测量关节角的编码器，一对测量关节角加速度的线性加速度计，整个外骨骼有8个编码器和16个直线加速度计。每个液压缸有1个单轴力传感器用于力闭环控制，1个伺服阀，10个远程信号采集模块（RIOMs）。

BLEEX的多层足底也很关键，每个足底包含了6个足底开关组，和1个负载分布压力传感器。其中足底开关组是用来检测足底何时与地面接触，负载压力分布传感器则是通过封闭压力气管末端的压力传感器检测在双足支撑状态时，哪只脚承担的重量多。

除此之外，BLEEX的总控计算机SIOM放在腰后背板下方，负责控制策略的运算和控制量的输出。

五、外骨骼结构、仿生和非仿生结构各自特点

（一）仿生结构

仿生结构的外骨骼机器人要求人机时刻不能发生错动，以防止不必要的器械的磨损。

（二）非仿生结构

非仿生系统的外骨骼机器人人机位置不一定要匹配，但是关节各末端需要相连。

（三）外骨骼结构

外骨骼结构结合了仿生结构和非仿生结构的两种特性，既具有仿生结构的人机结合，又具有非仿生结构的柔性。

六、外骨骼在我国消防方面的应用前景

（一）在消防救援上的应用

很多复杂的地震情况，如严重的崩塌、不稳定的环境废墟、桥梁、道路、建筑物等，长期只能依靠人体携带重型工具和材料进入灾害现场，给救援行动造成极大的困难，严重影响救援人员的搜救效率。在抢险过程中，消防队员会面临的一些重大障碍，如坍塌的地板、滑石等，难度很大，用自己的力量消除障碍，从而节省开支。在这种情况下，当外骨骼机器人装备好后，无论是重载、远程迁移还是清理重大障碍物都变得轻而易举。据有关资料显示，当救援人员佩戴外骨骼设备进行救灾时，抢险救灾能力提高了3至4倍，从而大大减少了灾民的生命财产损失。日益复杂的火灾现场要求消防员携带越来越多的设备。有时负重甚至达到50公斤，这无疑对消防队员的身体素质提出了很高的要求，重负荷下有效的救援时间只是重要因素之一，节省效率的同时瞬息万变的火灾现场也充满了危险，消防员面临着许多突发的危险。安全脱险也是自身力量雄厚、速度快的重要体现。外骨骼技术的应用，一方面可以显著提高消防员的承载能力和耐久性，延长有效救援时间，提高救援效率，改善人民生命安全;另一方面，它可以发挥消防员的身体功能，如体力、反应速度等。显著提高了消防人员在火灾现场迅速避开突发危险，将危险转化为安全，大大提高了消防人员的反应能力，为消防人员的生命安全提供了有力的保障。

（二）在基层消防救援战训上的应用

外骨骼技术在基础训练中的应用主要体现在两个方面：一方面，它可以通过相关调查显示，消防员经常在伤病情况下进行不同程度的训练和救援，不仅给消防队员的身心健康造成了更大的负担，也给消防队伍的转型和现代化带来了挑战，但是外骨骼可以有效的解决这个问题。据报道，深圳某公司研制的腰部支撑外骨骼，能有效减轻腰部重量60%以上，并能提供10-15公斤的帮助。总重量小于2.5公斤。携带方便，使用寿命高达5亿/个。如果它被广泛应用于普通战斗的编队中，他们会彻底解决这个问题。另一方面能有效调节员工流动和培训效率改善。之后外骨骼电子机器人可以掌握相应的标准动作。如果员工做了不符合标准动作的动作，可以纠正偏差，使受训者迅速形成正确的肌肉记忆，节省训练时间，提高训练效率。

七、结语

随着外骨骼电子机器人的发展，它在医疗和工业领域发挥了非常重要的作用，如支持不能站立的病人或支持轻工业人员移动重物等，虽然外骨骼机器人已经取得了很多成功，但不可回避的是，在技术上还存在很多障碍，另外材料和电池寿命是克服行业发展困难的必要条件，需要开发轻而强的复合材料，降低硬件成本，同时也要突破电源续航技术，提高耐用性。事实上，这两个方面都是当前工业面临的问题，许多其他设备也面临同样的困境。即便如此，外骨骼机器人的到来也为人们提供了很多帮助，最重要的是，它带来了一种全新的可能。本文通过对当前我国外骨骼机器人所具备的经验进行了系统性的整理和分析，希望能够为研究并生产外骨骼机器人提供一些参考。

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