單兵外骨骼課件

外骨骼裝備（Exoskeleton）概念科幻電影中的外骨骼裝備美軍單兵外骨骼裝備面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展前景其他國家外骨骼裝備的發(fā)展△△△△△研究背景△外骨骼工作原理△概念一些昆蟲類動物，長有身體以外的骨骼，具有支撐、保護身體的作用，被稱為外骨骼。美軍研制開發(fā)的單兵外骨骼裝備，就是根據(jù)仿生學的思想，為單兵設計一套體外支架，通過均衡分配外掛物重量，傳導、放大單兵的肢體動感，做到既增強單兵負重能力，又保持單兵的行動靈活性，從而使背負諸如美軍研發(fā)的“勇士”單兵數(shù)字化系統(tǒng)、大型機具、超標重武器彈藥的單兵，依然具有像普通單兵那樣或更高的徒步機動作戰(zhàn)能力。

蝦是典型的外骨骼生物美國雷神公司研發(fā)的機械外骨骼系統(tǒng)（XOS）外骨骼工作原理單兵外骨骼機械結構由多桿開鏈機構、將重力傳遞到地面的腳托以及放置重物的托架三部分組成，其集成了傳感系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等諸多復雜的系統(tǒng)機構。開鏈機構與人體同頻完成運動并幫助人體承載重物。負重信息傳至腳托傳感器，通過搜集負重和人體運動信息，將信息提供給中央處理器計算來調整外骨骼的運動幅度，控制能源系統(tǒng)完成供能及動力系統(tǒng)完成與士兵相匹配的動作。機械硬件中央控制處理器士兵能量信號外骨骼工作機理

科幻電影中的外骨骼裝備《鋼鐵俠》《阿凡達》《特種部隊：眼鏡蛇的崛起》美軍單兵外骨骼裝備洛克希德·馬丁公司——人體負重外骨骼（HumanUniversalLoadCarrier，HULC）（左）雷神公司——完全機械外骨骼系統(tǒng)（XOS

）（右）HULC這種新型裝備的全稱為“人體負重外骨骼”（簡稱HULC），是一種能夠通過提供外力來滿足士兵對機動性和支撐性需要的機器人技術裝備。XOS與HULC差別比較大，幾乎將整個人體包入XOS內(nèi)；XOS是目前最先進的人體外骨骼，其在提升重物和四肢的控制精度上要比HULC出色。XOS2可以使單兵的工作速度加快，工作時間延長，工作能力提高了1到2倍。XOS2可以輕松進行踢足球和擊打沙袋等靈巧動作，而且右手的吊鉤可以擊穿墻壁。目前，XOS2主要有兩種型號：一種是“戰(zhàn)斗型”，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，與HULC類似；另一種是“后勤型”，具備完整的身形。

面臨的挑戰(zhàn)

盡管美國已經(jīng)研制成功多種型號的外骨骼裝備并已少量裝備部隊進行測試，但離廣泛投入戰(zhàn)場實用還有一定距離。主要是耐用性、可靠性、控制精度等一系列技術難題還有待攻克。耐用性不足。目前的外骨骼裝備多由便攜式電池提供動力，單次充電的使用時間普遍偏短。一旦失去動力，整個系統(tǒng)即是一堆廢鐵。

可靠性不夠。多數(shù)外骨骼裝備都采用液壓系統(tǒng)，在野戰(zhàn)條件下，液壓油路較易發(fā)生故障，且故障很難在原地排除?？刂凭冗_不到。真正發(fā)揮外骨骼裝備的效能，需要智能化“柔順”控制。要做到這一點，需要高性能的傳感器，快速、精準的信息獲取，多路信息的有機融合，高效、友好的人機接口，穿著者與外骨骼裝備之間的雙向信息傳遞。發(fā)展前景盡管美軍外骨骼裝備的研制面臨很大挑戰(zhàn)，但是考慮到其潛在的能力巨大，洛·馬公司和雷神公司相信，只要能夠獲得持續(xù)的經(jīng)費支持，外骨骼裝備將在5年內(nèi)正式列裝美軍部隊。研發(fā)外骨骼裝備的根本目的就是提升單兵的戰(zhàn)斗力：增強打擊能力；提高防護能力；提高機動能力；提高戰(zhàn)場感知能力；

總之，未來士兵裝備外骨骼裝備后，將變身為一名超級戰(zhàn)士，擁有巨大的力量，作戰(zhàn)能力將會成倍提高。其他國家外骨骼裝備的發(fā)展世界各國研發(fā)的外骨骼產(chǎn)品從上世紀70年代美國首次提出“外骨骼”的概念至今，全球約有20個國家正在積極研究單兵外骨骼裝備。雖然名稱各有不同，功能各有增減，但基本結構和原理多與美國相似。俄軍的“士兵-21”，是第二代外骨骼裝備，已經(jīng)初步實現(xiàn)與數(shù)字化單兵系統(tǒng)的結合，具有減負、防護、控制、攻擊和生命保障等功能。英國的“未來一體化步兵”系統(tǒng)，更加注重通過改進傳感器和信息集成提高單兵作戰(zhàn)效能。法國某防務公司推出的“大力神”外骨骼系統(tǒng)，實行任務模塊配置，排長和戰(zhàn)斗組員可根據(jù)任務需要選配裝具模塊和負重組件。日本Cyberdyne公司開發(fā)的商業(yè)化外骨骼產(chǎn)品，通過監(jiān)視神經(jīng)中樞傳遞給肌肉的信號來實現(xiàn)對人體行動的判斷，其控制精度較高。日本的動力外骨骼

日本CYBERDYNE公司研究人員發(fā)明了鋼鐵俠式的人體外骨骼，輔助實施物理治療，稱為“機器人服混合輔助肢”((HAL)。這種以電池為能量來源的“機器人服”代號為“HAL-5”，重量是15公斤。這種“機器人服”能夠通過電力信號在皮膚表面的變化探測