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单兵外骨骼装备技术简介作者：葛水平杨陈君陈耀凯来源：《中国新技术新产品》2016年第14期摘要：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，并对穿戴者的行为运动进行放大，提升人体机能。
（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。
外骨骼装甲的参数一、动力系统参数。
外骨骼装甲的动力那可是相当关键的。
就像汽车得有个好发动机一样，外骨骼装甲的动力来源方式多种多样。
有的是靠电池供电，这种电池的参数可就有讲究了。
它的电量得足够支撑外骨骼装甲完成一系列的动作。
比如说，一个普通的外骨骼装甲电池，可能容量得达到几千毫安时呢。
为啥要这么大呢？因为外骨骼装甲不管是在战场上飞奔，还是在救援现场抬重物，那都是要消耗大量电能的。
这电能就像人的体力，消耗起来可快了。
而且电池的充电时间也很重要，要是充电个把小时就能充满，那就太方便了。
可要是一充就得好几个小时，那就有点麻烦啦，就像你手机充电半天充不满，急死人。
还有一些外骨骼装甲是采用燃油发动机作为辅助动力的。
这燃油发动机的功率也有参数要求呢。
功率小了，带动外骨骼装甲就像小马拉大车，根本跑不动。
功率大了呢，又会带来很多其他问题，像是噪音大，还费油。
就像一个人吃饭，吃太少没力气干活，吃太多又撑得难受。
二、承重与负载参数。
外骨骼装甲能承受多重的东西，这也是个重要的参数。
想象一下，要是它连一个人的重量都承受不了，那还怎么让人穿着它去战斗或者干活呢？一般来说，比较初级的外骨骼装甲也能承受个几百公斤的重量。
这几百公斤可以是人的体重加上一些装备的重量。
比如说，一个士兵背着枪、弹药，再加上自身的重量，外骨骼装甲都得稳稳地撑住。
要是更高级一点的外骨骼装甲，承重能力能达到一吨多呢。
这就很厉害了，可以搬运一些大型的物体，在救援现场就像一个大力士一样。
承重能力强也得配合好的关节设计。
如果关节设计不合理，承受重量的时候就容易出问题，就像人的膝盖要是不好，背个重东西就很容易受伤。
负载方面呢，外骨骼装甲不仅要能承受重量，还得能合理分配这些重量。
不能让所有的压力都集中在某一个部位，得均匀地分散到各个支撑点上。
比如说，人的肩部、腰部、腿部都得合理分担重量，这样穿着的人才会觉得舒服，而且外骨骼装甲也能使用得更长久。
三、灵活性与机动性参数。
707所成功研制外骨骼机器人，未来可打造超级单兵战士美国科幻大片经常出现超级英雄拯救世界的桥段，备受全球观众们的欢迎，美国电影公司更是大肆收割全球票房。
随着科学技术的发展，曾经的科幻，却在越发地靠近抵近显示世界。
超级战士，在人类真实世界中的诞生，也并非完全不可能。
在2014年，美国科幻电影《明日边缘》就大为描述了外骨骼战士的超常规战斗力。
所谓外骨骼战士，是指穿戴外骨骼智能机械设备的人类战士，通过外骨骼智能机械设备，极大地提高普通人类战士的单兵作战能力。
这种可穿戴外骨骼智能机械设备，亦被称为“可穿戴的智能机器人”。
电影《明日边缘》中主角身穿外骨骼机器人早在1960年，美国通用电气公司就开发了一种名为“哈迪曼1”的可佩带单兵装备。
不过，“哈迪曼1”属于最初级的外骨骼机器人，仅仅能够代替人类的手臂，性能也极其有限。
1978年，美国麻省理工学院开始专门研究外骨骼机器人，并且得到五角大楼的支持。
虽然美国投入了大量的资源进行外骨骼机器人开发，但受限于技术，始终未取得显著成效。
“哈迪曼1”外骨骼机器手然而，日本却在该领域取得了长足的进步。
众所周知，日本机器人技术水平处于世界顶尖，诸多领域就连美国也比不上。
在外骨骼机器人开发上，日本筑波大学成功研制出全球第一种商业外骨骼机器人。
该外骨骼机器人能够完全地替换人类的双腿，帮助残疾人以每小时4公里的速度行走。
而且，穿戴该机器人的人类，不会产生任何不适。
它使用了大量的传感器和神经网络系统，能够充分协调人类的机体特征和生理变化。
但从全球来看，外骨骼机器人依然处于帮助人类修复部分肢体功能的阶段，尚且无法提高人类的身体机能。
而外骨骼机器人发展的终极目标，就是为了让人类穿戴后，能够拥有超常规的行动力，具有巨大的军事价值。
虽然研究未取得重大突破，但美国从未放弃外骨骼机器人的研发工作。
近年来，人工智能技术飞速发展，使得外骨骼机器人再次涌现曙光！由于人工智能技术出现得较晚，中国与美国几乎处于同一起跑线，丝毫不弱于美国。
未来战场的军事黑科技作者：佚名来源：《党员文摘》2018年第05期历史上，战争推动着科技，科技也改变着战争。
不过，与几十年、上百年前相比，今天的军事创新更加以人为本、更重视生命的价值。
举重若轻的机器外骨骼“外骨骼”一词来自希腊语，指的是昆虫坚硬的外壳，这种装备能通过液压装置增强使用者腿部和手臂的力量，让人们跑得更快、跳得更高、携带更多更重的东西，即便在负重的情况下也能健步如飞。
美国军方关于外骨骼的尝试最早可以追溯到上世纪60年代。
当时，美国通用电气公司与军方合作开发出了一种名为Hardiman的外骨骼装置，它能将人体的力量增强25倍，让佩戴者举起11公斤重的东西如同举起0.5公斤重的东西一样轻松。
如今，已经有不少外骨骼项目在医疗和军事上获得了应用。
如雷神公司为美国军方研制的XOS和XOS 2外骨骼系统;法国研发的大力神外骨骼系统和美国洛克希德一马丁公司研发的人类负重外骨骼（HULC）系统。
HULC是一种由锂离子电池驱动的下肢外骨骼，它能重新分布臀部和腿部的力量，让使用者能够轻松携带91公斤的装备物资。
与早期较为粗糙的外骨骼装备不同，HULC骨骼更为灵活易用，在其钛金属制成的支架中安装有多个传感器，内置的微型计算机能根据这些传感器的数据，让外骨骼与使用者的动作保持协调和同步。
能装进背包的“巡航导弹？”“弹簧刀”不是能拿在手上的小刀，而是一款小型无人机。
由于其体积小巧，既可用于侦察监视，也能用于对小型目标的精确杀伤，被誉为可藏身于背包的单兵“巡航导弹”。
“弹簧刀”无人机重量不到2公斤，机内装备有一枚小型炸弹，可由单兵使用小型弹射器发射，然后依靠电池动力飞行，升空后迅速展开机翼，能悄无声息地在空中高速飞行或盘旋，并将拍摄到的实时彩色影像传给地面控制人员。
一旦无人机操作手确认攻击目标，“弹簧刀”就会收起机翼，变身为一枚小型巡航导弹，直接撞向目标引爆炸弹。
据称，新版“弹簧刀”续航时间可达30分钟，飞行半径为9公里，“弹簧刀”会对4米以内的人造成致命伤害，但不会波及目标10米范围外的人员。
单兵外骨骼结构与运动分析随着现代科技的发展,武器装备水平越来越成为现代战争胜利的重要保证。
作战部队规模小、作战消耗高成为现代战争基本特征。
同时,反恐战争等新形式的武装打击对单兵装备要求越来越高,单兵负荷也随之增大,以单兵每天平均物资消耗为例,二战时20kg,越南战争时是90kg,海湾战争时已经达到了200kg,因此作为一种可以让士兵通过穿戴,从而提供支撑重量,辅助运动等功能效果的机械装置,单兵外骨骼机构可以帮助士兵更好的完成战斗任务。
2000年,美国国防先进研究项目局资助研究增强士兵机能的外骨骼(EHPA)的项目,目的旨在开发一种对外界环境变化有着智能识别并适应的外骨骼系统,通过试验,士兵载重能力,行动速度成倍提高,并能有效抵御轻武器弹药袭击（如图1）。
2结构与运动分析2.1 外骨骼组成及运动机理其机械结构由多杆开链机构、将重力传递到地面的脚托以及放置重物的托架三部分组成,其集成了传感系统、动力系统、控制系统等诸多复杂的系统机构。
开链机构与人腿同频完成运动并帮助人体承载重物。
负重信息传至脚托传感器,运动信息传至多杆机构上的传感器,通过搜集负重和人体运动信息,将信息提供给中央控制处理器计算来调整外骨骼的运动幅度,控制系统控制能源系统完成供能以及动力系统完成与士兵动作相匹配的动作。
工作机理如图2所示。
从外骨骼工作过程看,外骨骼机构主要由硬件连接部分、动力系统、传感系统和控制系统组成。
外骨骼能否正确配合并辅助人的下肢运动,成为外骨骼机构研究的关键问题。
因此,研究人体下肢运动规律成为实现研究设计军用外骨骼的关键前提。
2.2 外骨骼下肢自由度分析为了简化研究过程,降低分析难度,根据人体下肢运动习惯,本文设定人体下肢理想自由度即为下肢外骨骼设计自由度。
人体髋关节(Hip)主要实现大腿的大角度运动、腰的左右转动以及上体的弯曲运动,需要设置三个自由度,大腿的向前拍动速度大小决定着人体的运动快慢,此处需要加装驱动装置。
