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行走助力机构概念及总体研究
南京理工大学 机械工程学院01级 机械设计制造及其自动化 曾志腾
ateng1982@163.com
1 绪论
士兵不能空着手进入战场,所以士兵肩上必然有负重.正是一个心理生理都处于良好状况的士兵,使用其所负担的各种装备,才构成一个完整的单兵作战系统.越来越复杂的现代战争,使得作战不只是\"勇敢有力的士兵,拿着步枪往前冲\"这么简单的模式了.所以单兵装备也越来越丰富,越来越复杂,不可避免的,也越来越重.
1.1 常见的负重帮助装置
为了使士兵在负重的状态下,能够保持较好的生理状态,长久以来,各国都投入了大量精力在单兵背负机构上,研制更符合人体工程学原理的负重装置.于是各种各样的单兵携行具便应运而生.
单兵携行具是指单个战士携行装备物资所采用的工具.一套好的携行具能大大减少士兵的体力消耗,提高其作战效能和徒步作战能力.
美军研制和使用单兵野战携行装备起步较早,第二次世界大战前,美军就有了制式携行具.随着科学技术的进步和武器装备的发展,美军先后对单兵携行具进行了多次改进.主要品种有M—1945式,M—1956式,M—1972式,XM80式单兵携行具,单兵综合战斗系统及新世纪单兵携行系统等.
英军先后研制和装备了多种单兵携行具,如英军1958式单兵携行具也是肩腰吊带式结构,与美军M-1956式相比,有相似之处,也有较大差别,优于美军的是背囊空间,携行量大,但不如美军的机动灵活.英军曾装备的1980式单兵携行具,吸收了1958式和1972式两种携行具的优点,由质轻牢固的尼龙制作,扩大背囊空间,增加战斗携行具和野战背囊的相容性和舒适性.英军目前装备的单兵携行具是1990式,它是一种新型携行背心式样,特点是负荷分部均匀,携行舒适,离合快速.
我国的单兵携行具起步较晚,对越自卫反击的时候,士兵还停留在分件单挂的状态.负荷分配不合理不说,打包还极困难,可靠性也无法保证,使用更是极不方便.从80年代末期开始,我军也开始研制单兵携行具,91式单兵携行具从提出,研制到装备部队,只用了一年不到的水平.为了适应对台斗争的需要,我军近年来相继研制了新一代单兵携行具95步枪携行具系列.其中包括01单兵生活携行具(01温区背囊和01寒区背囊),01单兵战斗携行具(95步枪,89机枪,88狙击步枪手战术背心和配套的作训包).至此,我国单兵携行具的装备水平基本达到了发达国家的普遍水准.
单兵携行具的却可以使得士兵的背负重量在身体上分部更合理,提高士兵在标准负荷下的活动能力.但是,所有的动力负荷都由士兵的身体提供,而人体的负荷毕竟是有限的,单兵携行具只能使体力的使用更合理,不能达到真正意义上的助力.
1.2 行走助力机构的发展现状
我们是不是能构想这样一种单兵携行系统,能够帮助士兵负重,提供士兵大部分行走动力,从而使士兵能把体力从行军中最大限度的节省就下来,以更充分的体力投入战斗.所以我提出这样一个\"行走助力机构\".使用行走助力机构的目的,就是帮助负重士兵,拥有更高的行动能力.
行走助力机构是一个行动助力机械,是一个它的作用应该更倾向于\"长腿的摩托车\"一样的行动机械,而不是\"机械腿\"这样的功能代用机械.所以,行走助力机构不但有简单的机械助力功能,更要帮助使用者维持行走的平衡.
行走助力机构不是简单的助力机械.现在的同步助力机械臂,已经能够精确的随同使用者的手臂动作,举起几百公斤重的物体.但是现在的仿生行走机械,仍然不能实现负重行走,甚至自身的行走都不能很协调.因为行走是一个整体的移动过程,双足的特性决定了这个过程的移动速度是非线性的.比之有固定端的手臂助力,多了移动平衡问题.所以,随同行走助力机构是比随同助力机械臂更复杂的仿生机械.
世界上最早提出机械行走助力机构需求的是美国陆军的\"未来战士\"计划.早在2000年,美国五角大楼下属机构\"尖端国防产品研究所\"就提出了\"行走助力服\"的概念,作为未来战士单兵作战系统的一部分,该装置\"可以使士兵在超标准负重的状态下,依旧行走如飞\".
加州伯克利大学霍曼约恩·卡泽罗尼博士领导的研究小组,从2000年开始已经获得 \"尖端国防产品研究所\"高达3500万美元资助,用于研究这样一种助力机构.这项名为Bleex(伯克利下肢外骨骼助力器)的高科技产品,已在2004年初面世.它由电动机和40多只传感器组成,重约50kg,会同步模拟穿着者的动作.使用者可以把人造的腿骨绑在自己的腿上,然后背上一个装有动力系统和控制系统的较大的背包.这个背包内还预留了一定的空间用来背负额外的负重.
它只是同步模拟穿着者的动作姿态,而不是让穿着者驾驭或是指挥这具机器.\"Bleex\"配备的电脑通过传感器随时感知穿着者的动作并分析其特点,然后驱动各部分与穿着者同步而行,就像影子跟着主人一样.
Bleex可以帮助人们多背负32kg的重量.这套负重系统除了对士兵行军很有帮助外,还可以使医护人员更轻松地把伤员搬离出事地点;也可以\"减轻\"消防人员背负装备的重量,攀爬楼梯时行走如飞;甚至可以帮助肌肉无力症的患者,重新获得行走的能力.尽管这套装备自身就重达50kg,但是使用者却不必担心它的重量,因为这套装备可以自己承担自己的重量.在控制系统的帮助下,它的重心始终和使用者的脚步保持一致.对使用者来说,背负着这些东西的感觉就如同只背负了2kg的东西一般,让你觉着十分轻松.
2004年下半年,Bleex的研究人员已开始尝试设计一种更加小巧的新型动力装置,新装置的能量估计要比原有的大两倍以上.如果有了那种新的动力装置,那么就可以背负接近60kg的重量了.
Bleex的最大高明之处在于使用人员不需要利用任何诸如操纵杆,键盘以及按钮之类的东西来操纵它.这样士兵们就可以解放出双手,完成其他的工作.这是因为这套装备的控制系统可以确保它和装备在使用者腿上的人造骨骼保持同步前进.卡泽罗尼博士对这套装置的形容就是:\"你要做的只是向前走,然后该装备就会和你同步前进.\"
目前Bleex是最接近实用的行走助力机械的工程模型.它的许多设计思想是十分领先的:采用同步行走模式,以人为主;下肢外附机械结构,负重不通过人体骨骼;动力系统和控制系统集成在背负系统的背包内.
但是Bleex还不是一个实用机械,它的体积过大,对使用者的动作有限制,致使应用环境受到限制.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.
1.3 本课题的研究内容
行走助力机构是一个前沿的仿生机械学课题,涉及的技术领域相当广泛,有机械,控制,计算机,传感器,运动生物学等等.我的研究将在对行走助力机构的需求,从宏观到微观的角度,做出充分的分析后,提出完整的实用性概念.并从实用的角度,规划一个总体的设计方案,提出研究思路.包括总体的功能要求,各个系统的功能划分,以及各个系统需要达到的技术指标等.在分析整体系统的过程中,发现技术难点,尝试提出解决方案.
我所面临的困难,包括提出一种建立在有效控制体系之下的实用动力输出模式.使得人体负荷最小的情况下,能实现人体动作对助力机构动力输出的直接控制,且要求助力机构不影响人动作的平衡性,协调性,灵活性.
2 行走助力机构需求分析
2.1 未来战争中步兵作用的探讨
2.1.1 近代步兵战略的变迁与发展
上个世纪60年代,由于现代武器和科学技术的发展,美军和一些发达国家军队曾经一度全力发展重型机械化师,把徒步作战的步兵减少到了5%.但是经过几次战争后,美军发现,重型机械化师并不是万能的——毕竟有很多地形和作战状况,重型机械化步兵是很不好用的,比如丛林(例如60年代后期的越南战争),城市(现今在伊拉克).要实现完全的占领,以及对残敌的清剿,就必须使用徒步步兵.所以70年代以后,美军吸取了教训,注重加强轻型步兵师的建设,把徒步步兵的人数扩大到了40%以上.同时期的苏联军队及各个军事强国,也呈现了近似的变化.(不包括我国,我国一直就是以轻步兵为主,实现步兵的摩托化,机械化的装甲步兵一直就不是主流)
2.1.2 世界格局对战争形态的影响
冷战结束以后,大国,强国之间的爆发全面战争的可能性已经越来越小.而地区级的中小规模冲突(近期的车臣战争,阿富汗战争),惑是强国于弱国间的不对称冲突(典型的如近期的伊拉克战争)将成为一段时间的主流.
冷战时期,大国,强国(包括其同盟,附属国或保护国之间)之间的冲突,双方的力量是相对均衡的.双方都有能够彻底摧毁对方的最终武器(核武器),用以维持战略上的恐怖平衡,使得谁都不愿意冒着完全毁灭的危险,率先发动全面战争的.即使抛开核武器,冷战的两个阵营,除了在战略上相互克制.就是在具体的装备,战术,作战实现上也是针锋相对的——一方出现了某种新武器,另一方就必然会有相应的武器与之对抗;一方在某次战斗中使用了某种新的战术,另一方也就马上研究新的应对方法.
总之,双方在冷战的过程中,只有各自支持的同盟国或附属国之间有出现地区级的冲突,而双方没有直接的有过明显的战斗.(例如四次中东战争).
相对的,冷战时期两方直接参加的两次战争(美国入侵的越南战争,苏联入侵阿富汗),都因为战略与战术装备不配套,造成自己深陷战争泥潭.直接或者间接的导致自己在战略对抗中,变成劣势的一方.从步兵的角度说,用于与对方在欧洲平原的机械化装甲部队对抗的武器装备及战术打法,与对方的游击队在原始森林,沙漠荒原中对抗,显然没有占到什么便宜.即使他们可以随时呼叫远程炮火,可以随时招来空中支援,仍然不能在直接的全面进攻中,完全打垮敌人的抵抗力量.所以才有了美苏军队,在这一时期,大幅提过步兵中,轻步兵比例的举动.
但是,当冷战结束,世界只剩下唯一的一个超级大国.没有制约的强大力量开始对不屈服于其力量的弱小国家下手,失去力量平衡的地区开始出现动荡……
地区冲突典型如巴尔干半岛的波黑战争,而强国对弱国的战争随着美国这个\"世界警察\"的蛮横,更是不用我多说.抛开局部的低强度的地区冲突,这一时期的战争呈现力量非对称的形态,两次伊拉克战争,科索沃战争就是这类冲突的典型.
极端民族主义,极端宗教势力在这样的世界格局下,开始成为恐怖主义力量,威胁世界安全.于是,为了维护世界安全,我们经常看到全世界的警察,军人跟少数的恐怖分子周旋.极端的\"大炮大蚊子\".
2.1.3 未来战争中步兵战术的预测
冷战结束后,各国新军事战略开始高度重视战略机动性.美军为例:他的C-5战略运输机队,可以在72小时内,将第82空降师的全部人员装备,投送到世界任何角落.一周内,可以让第3机械化步兵师的步兵战车协同M1A2主战坦克,在敌人的国土上推进……
即使不是世界警察,要求满世界跑,各强国也都在许可范围内,保持成建制的陆战快速反应部队,以求对突发的冲突事件,做出最快最直接的反应,将影响或是损失,控制在可能的最小范围内.
提高战略机动性,以及打击对象打击手段的转变,迫使各国在有限的经济条件下,陆军普遍走上精兵之路.相对少量的高素质专业化部队,配备先进的武器装备,实现战略机动作战任务;大量的一般部队,则作为后续的跟进部队或战略补充,实现防御或状态维持任务.
未来的多兵种协同作战,更使得战场不再是过去的火力密集地,更多的将是信息密集.C4I系统(例如C4ISR,就是美国开发的一个通讯系统,是指挥,控制,通讯,计算,情报,监督,侦查还有对抗集为一体的系统),甚至C5I,C6I系统,将成为指挥以及作战的基础.
2.2 未来我军步兵的发展要求
2.2.1 我军传统的步兵作战模式
一直以来,我军都不是以绝对火力见长的.机动能力,一直是我军战斗力的核心.以机动能力获得局部的兵力及火力优势,是我军战术的精髓.不论是在朝鲜战场上,整个兵团的士兵用双脚跟汽车轮子比速度,还是在对印自卫还击中大胆的向战略纵深穿插,以及对越自卫还击中的连级作战单位的迂回包夹,无不体现了我军擅长机动作战的特色.典型的步兵作战模式,就是隐蔽机动,阻击,包围,追击.而这期间的机动,基本就是徒步行军.
当然,我军擅长机动作战,是由历史的客观条件决定的.从红军成立开始,直到抗美援朝,我军根本上就没有摆脱装备劣势的局面.长期的在没有充足的重武器支援,没有制空权的条件下作战,使得我军不得不采用运动战.敢于近战,敢于夜战,体现的是我军战士的勇敢,同时也是处在装备劣势的一种悲哀.
一个时期的准备抵抗帝国主义全面侵略为前提的陆军作战思维,使得我们长期停留在人民战争的框框里,无可奈何.陆军装备水平没有根本性的提高.
直到70年代末80年代初的对越自卫反击战,才使我军的陆军作战思想有了根本的转变.战后的百万大裁军,裁的大部分就是陆军,而且大部分就是低水平的轻步兵.
在对越自卫反击战初期的我军,相对于经过十几年越南战争洗礼的越南军队,除了兵力上的优势,在装备水平,训练水平上,都没有优势.而且初战10天,近3万人的伤亡,就不能不说只是战术上的问题了.我军在热带丛林作战中,以连级作战单位为主的突击力量,在机动后常常失去联系,或是由于敌人的狙击,不能按时到达作战地点,甚至到达作战地点后已经严重损失,无力发起进攻……
我军已经不再是处于装备完全劣势的时代了:通讯问题,机动火力问题,单兵战斗力问题,甚至是战术思想的落后……在对越自卫反击战初期暴露无疑!
引用当时外电评论员的论述:\"两支穿草鞋的军队,在太空时代进行的一场摔跤比赛.\"
2.2.2 未来一个时期我国所面临的可能冲突
基于现阶段与我国的国力,对比周边陆路国家具有阶段性明显优势,在相当长的一段时间内,我们不必担心已有国土遭受侵略,所以我国的陆军不会有机会以传统的方式参加与直接的军事对抗.而现阶段我们主要面对的是东南临海一线的军事威,而主要的问题就是台湾问题.
如果事态真的发展到需要解放军进行登陆作战来解放台湾,那么对于地面部队的要求,就远比对越自卫反击的时候高很多了.
从更长远的发展看来,我国的陆地边界,既有一马平川的草原戈壁,更有复杂的山地.我们不但要有重机械化的装甲力量,也要有充足的山地作战能力.而现在最明显的陆地边界问题,就是在等待时机,\"解决\"世界屋脊脚边跟印度之间那条莫名其妙的:\"麦克马洪线\".而这之前,我们要明确的是:武力是和平的基础——要有在高原山地上跟印军一绝高下的能力.印度军队也不是60年代的草包了.
2.2.3 未来我军在冲突中的步兵战斗模式
中国是一个地域辽阔,地形地貌多种多样的大国,所潜在的作战地域地理环境差别甚大,因此必须据此对所处地域内的步兵部队进行有所侧重的适应性配备,其中大致可分为印度方向高原作战环境(兼顾缅,越热带丛林环境),台海丘陵水网稻田作战环境,西北戈壁草原作战环境三大类.
在解放台湾这样的战争中,步兵要实施的是空降,两栖登陆作战.是对战争结果有决定性作用的作战力量.之后的解放城市,肯定还要经过一定规模的巷战.
我军没有大规模空降作战的实际经验.说到两栖作战,50年前解放海南算是大规模登陆作战的成功经验.可是台湾海峡,不是琼洲海峡,宽的多,水文条件也复杂的多;台湾也不是海南,重要性不是一个等级,敌人的防守力量也不一样.而我军对于巷战的认识,估计还提留在解放战争的水平,或许都不适用了.
对印的高原山地作战,由于地形复杂,关键的是补给困难.我们可能还是不得不像60年代一样,以轻步兵作战为主.山地战的模式,跟对越自卫反击之中的丛林山地战又有很大的不同——步兵的机动,必须应付高海拔条件下巨大地形落差,以及植被稀少带来的隐蔽问题.
而所谓西北戈壁草原所面临的军事威胁,也随着冷战的结束,变的差不多可以忽略了.反倒是那里的极端民族及极端宗教势力,使得我们什么时候也要学者美国打阿富汗一样,来个反恐战争.只是随着信息化时代的来临,再说什么机械化兵团的大战,显得很落伍了.
新的战争模式,应该是指针对恐怖分子的特种作战.我军向来注重特种部队的建设.我军的特种部队不但训练水平一流,而且继承了我军敢于近战的优良传统,拥有一套独树一帜的战术手段.虽然我们不敢说我军的特种部队装备水平低,可是谁也不介意如虎添翼吧
2.3 行走助力的需求探讨
2.3.1 单兵负荷问题研究
2.3.1.1 单兵负荷及其组成
单兵负荷分为作战负荷和行军负荷.主要包括武器负荷,生活负荷,单兵军需装备负荷.单兵军需装备是提高士兵战场生存能力的重要防护装备,是武器和其它装备的载体.
美军认为冬夏,温寒区士兵的标准作战负荷都不应超过18kg,行军负荷不超过25kg;实际并未达到此标准,步枪手温带作战负荷约18kg,干寒区为27kg;温带行军负荷约21kg,干寒区为41kg(旧标准,96年新标准有所减轻,但仍不理想).
前苏军认为标准负荷不得超过人体重量的1/3,苏军步枪手温带作战负荷约17kg,特寒区为24.7kg;温带行军负荷约23kg,特寒区为27.7kg.但苏军负荷较轻是以牺牲士兵舒适性,精简携行物品做到的.寒区无野战睡具(后勤人员提供帐篷和火炉).
日本自卫队认为士兵平均负荷应在15kg左右,其士兵温带作战负荷约20kg,寒区为22kg;温带行军负荷约34kg,寒区为41kg(旧标准,新标准有所减轻).[16]
我军单兵军需装备主要包括头盔,防弹背心,防护眼镜,作战服,作战鞋(靴),水壶,单兵携行具,雨衣等.对于我军的单兵负荷状况,我们可以通过对对越自卫反击的时候步兵的装备配置状况来分析:
一般在山地的一次进攻作战我们投入一个加强连的兵力负责提供火力准备的一般是师炮兵群(榴炮营)和团,营的迫击炮连,有时候军炮兵群也参与火力准备.
加强兵力一般为团无后坐力炮连的一个排(每排三个班,每班一门82无后坐力炮)和营机枪连的一个排(每排三班,每班一挺重机枪)有时候加强兵力还会有师防化连的一个喷火器班(每班3组,每组一具喷火器)步兵连下辖3个步兵排,一个火器排.某部4连参战人数:干部9人(6个正副排长,2个正副连长,1个指导员),战士116人.
连队拥有33支冲锋枪,37支半自动步枪,每个步兵排下辖3个班,每班两名机枪手,操纵一挺班用机枪,副射手携带弹药,并在战斗中正射手伤亡的时候操纵机枪继续射击,手榴弹256枚,携带步机枪弹11000发,另外还携带75kg炸药.
通信器材是4具步谈机,连长控制一部,3个步兵排排长各控制一部.
战前的和平年代火器排下辖3个40火箭筒班,在临战时改为2个40火箭筒班(每班3具发射器,每具发射器备弹8发),同时增加一个迫击炮班(两门炮,每门备弹30发).
单兵负荷(生活负荷都是相同的.挂包1,水壶1,背囊——内装雨衣1,绒衣1,饭碗1,口杯1,干粮1.7kg,弹带1条,手电筒1):防毒面具1具(有越军使用化学武器的战例).
步枪手25kg:半自动步枪1支,子弹200发,手榴弹5枚.
爆破手30kg:半自动步枪1支,子弹200发,手榴弹4枚,炸药5kg或1根爆破筒.
冲锋枪手25kg:冲锋枪1支,子弹300发,手榴弹4枚.
轻机枪射手29kg:轻机枪1挺,子弹400发,弹盒2个.
轻机枪副射手28kg:子弹600发,弹盒2个.
火箭筒射手25kg:火箭筒1,火箭弹3,背弹具1.
火箭筒副射手29kg:火箭弹5,背弹具1.
60炮炮长28kg:半自动步枪1,子弹200发,标杆2根,零件包1.
60炮1炮手28kg:60炮1门.
60炮2,3炮手28kg:60炮弹10发.
这是二十几年前的装备水平,当然我军现在的制式小口径枪族要轻一些,可是其他的轻武器并没有明显的发展的迹象.所以现在的装备重量,不见得比那个时候轻多少.
2.3.1.2 单兵负荷过重问题
研究了各国士兵的标准负重,在脱离了后方火力支援的运动中的突击作战是,为了保证突击火力,作战部队不得不要求士兵配给超出标准的武器装备,以致士兵负荷大大高于标准.如果在是山地或是丛林这样的复杂地形,加上要隐藏行踪,士兵的体力早在作战机动过程中就消耗的差不多了,常常不能保证在最后的战斗过程中,体能处于良好的身体状况,更不要提持续作战的能力.
以空降作战来说,空降部队在作战中有很多难以克服的弱点:
降落点分散,难以成建制地投入战斗;
兵力不能一次到位,留下易受攻击之窗;
一旦降到地面,机动能力有限;
重型装备少,反装甲能力弱;
缺乏远程无线电台,通信能力差;
单兵负荷重,持续作战能力差.
其中(3),(5),(6)几条,都直接受到单兵负荷的影响.空降兵一到地上就要投入战斗,并且没有后勤支援,所以它必须携带作战所需要的一切东西.这样一来,所有空降兵的一个共同感觉就是:带的东西太多,背上的负荷太重.士兵负载太重,体力消耗过大过快,这无疑会降低整个部队的持续作战能力,使己方作战能力过快地达到顶点.另一方面,尽管单兵负荷已经太重,但人力携带的武器装备毕竟是有限的.如果不能及时得到后勤支援,空降兵的作战能力将难以为继.
以著名的美国第82空降师为例,单兵负荷而是它一直想解决似乎又无法解决的老问题.在第二次世界大战中,第82空降师的士兵每人携带1支装满子弹的M-1步枪或卡宾枪,156发子弹,1支手枪及3匣子弹,1把多用途两刃短刀,1把小铁锹,1个装满水的水壶,1个急救包,几枚手榴弹,K类给养和雨衣.军官和军士长还要携带装满地图的公文包.40多年后,空降兵的负荷有增无减.在入侵格林纳达时,第82空降师的士兵由于负荷太重,行动缓慢,再加上天气炎热,很快就累得精疲力竭,根本不能一鼓作气地爬上小山顶.负载最重的电台报务员和\"尾刺\"导弹小组成员,每人负载达110磅,根本无法跟上部队.在入侵巴拿马和海湾战争中,第82空降师的士兵仍然被沉重的帆布背囊,装满枪弹的子弹袭,反坦克火箭筒等武器装备压得直不起腰来.因此美军自己也承认,第82空降师持续作战能力差的弱点在现阶段是难以得到彻底克服的.
2.3.2 未来我军步兵作战所需要面对的负荷问题
我国有着世界上最高最大的山地高原——青藏高原,更不要说我们国家五分之三的国土是山地,而山地作战与平原作战有着很大的区别,一般以3000m为界,划分为低山区和高原山区.山地作战有5个特点:
部队行动不便.山势陡峭,空气稀薄,部队机动速度大大降低,坦克,火炮等重武器行动困难.
人体功能降低.高原山区人员会出现呼吸困难,头晕目眩,全身无力,心脏功能降低等症状,影响战斗力的发挥.
后勤补给困难.山地人烟稀少,物产缺乏,道路崎岖,交通不便,气候无常,给给养,作战物资运输带来困难.
,武器故障率多.高原气候严寒,武器易于损坏,自动武器不易连发,降低了武器装备的效能.
通信联络不便.高原山区作战,受地形影响,通信设备很难保证畅通无阻.
人在这样的作战环境中,体能是需要优先保证的.所以如何在山地作战条件下,解决单兵负荷问题,减少士兵的体能消耗,是我们必须要努力解决的问题.
广阔的国土,在这样一个精兵的年代,也需要强大的快速反应部队,比如机降部队.更不要说我军现在面临的台湾问题.解决台湾问题,机降部队的使用是一个不能回避的问题.
无论是山地战部队,还是机降部队,单兵负荷问题都是制约其战斗力提高的一个瓶颈.单项装备的重量可以随着装备的发展越来越轻,可是我们可以看倒的是,战争的科技含量越来越高,我们士兵的装备种类也越来越多,战斗力提高的同时,负重却不见减少.所以解决单兵负荷过重的问题,是提高快速机动部队战斗力的直接手段.
2.4 行走助力机构的需求的提出
2.4.1 关于行走助力机构最早的构想及其提出背景
美国陆军曾经有一个\"未来战士\"计划,其中有一个肌肉助力子系统的研究.这个系统通过一个附在士兵下肢的金属骨架,帮助分担身体的重力负担.并且通过金属骨架上的动力机构,提供人体运动的部分负荷输出.使得士兵即使背负60kg的战斗负荷行动,也只有6kg重量在身一样.从而使得士兵的体力,最大程度的应用到战斗行动中.
其实美军半个多世纪以来在军事变革中总是处于先行的位置,所以当世界各国还处在对机械化的不懈追求的时候,美军已经实现了信息化.现今唯一的超级大国,总是要使其军事装备的整体水平,比之任何的对手,至少有一代的优势,从而使用比对手先进的作战思想达到战争目的.所以美国陆军才会在90年代中期,提出这个\"未来战士\"计划,其用意就是使其所谓先进的作战思想,拥有与之相配套的新概念装备.
但是,美国今天以及可以预见的未来的一段时间内,战略的重点不是地面战争,至少不是传统的接触式的地面战争.从近期的阿富汗反恐,以及对伊拉克的彻底占领来看,其最新的地面战模式,是建立在信息绝对优势的基础上.通俗的说就是:我看的到你,你看不到我.我看到你不直接开枪打你,而是呼唤远程火力或者空中火力对你进行杀伤.美国军队的地面作战,已经基本脱离单纯的接触杀伤的阶段,其能力,已经不能用传统的标准来衡量,即使用传统的标准来衡量,美军也是最强大的,至少从装备及总体的作战系统上说.
并不是所有的作战情况都是需要士兵徒步机动的.正常的状况,使用卡车,装甲运兵车,步兵战车都是现成有效的手段.甚至美军是世界上唯一一个进行过大规模直升机机降作战的国家.直升机的垂直机动能力,使得山地,沼泽这样的环境根本不是机动的障碍.所以,美军当时提出行走助力系统的概念,不是当作一个孤立的系统,而是由于美军在特殊作战环境下,为了保持整个作战系统的战斗力,不得不解决的\"最短的木板\".
而我们发现,美军也在调整这个单兵负重助力系统的设计要求,以适应其国家战略,和步兵战术的变革.现在这个项目,也只是处于工程研究的阶段.
2.4.2 行走助力机构比之其他机动手段的特点
从上面的分析看,行走助力机构并不是帮助士兵负重机动的唯一手段.甚至由于作用的单一性,其费效比是值得商榷的.但是,作为单兵装备的一种,显然,行走助力机构的灵活性更高,隐蔽性容易通过传统的方式得到保证,作战训练及使用思路跟传统的体系装备具有更高的继承性.
在通常的平原条件下,选择汽车,装甲运兵车,甚至步兵战车,有相应的战术要求.选择汽车机动的是摩托化步兵,选择装甲车辆机动的就是机械化步兵,用步兵战车协同作战的更是重型机械化步兵.后者显然有更强的攻坚能力,执行的是不同的作战任务.不是不得已,谁也不愿意用轻步兵跟对手的重装地面部队对抗.所以我们说到比较,应该限制在特殊状况轻步兵的机动能力讨论上.
当然用汽车机动是有道路条件下不能放弃的机动方式,而很多轻步兵必须脱离汽车的环境,行走助力机构就有了其发挥作用的空间.而对于山地步兵,山地的环境可能完全限制了车辆的使用,于是行走助力机构就是主角了.
不可否认,在拥有制空权,以及相对信息优势的时候,直升机是山地作战最好的机动方式,可是对于没有制空权,信息上处于劣势的一方,徒步的机动方式是唯一的选择.这种时候,行走助力机构就凸现了其重要性!
再说到伞降作战,伞兵如果有了行走助力机构的帮助,至少可以克服单兵负重问题——多带一些装备也不要紧:可以有更大型的电台,获得更强的通信能力;带更多的弹药补给,保证相对的更长时间的作战持续性;带的多,但是还走的了,保证足够的地面机动能力.除了伞降分部不能解决,其他的问题在解决了负重机动问题后,都可以有相对的改进.而这些改进对于伞兵的作战是相当有帮助的,从某种程度来说,战斗力的提高将是显著的.
2.4.3行走助力机构对我军的实际意义
首先,在我国的现在的经济状况,大量配备直升机,还显得不是很实际.我国广阔的国土,伞降部队作为快速反应部队是很重要的,提高其战斗力是必须的.从这两个方面说,行走助力机构,就有其发展的意义.诚然,初期的产品,也是奢侈品.
可是我国的国情跟美国毕竟不一样.我们并没有完全占据战场信息优势的能力;空军的实力,也不足够在任何情况下都保证绝对的制空权.而且解放军长久以来就有其相对独特的作战模式,隐蔽徒步机动就是我们比之任何国家的军队都使用的多的战术.长久以来我们的军事思想,很重要的就是扬长避短:我们善于隐蔽快速的徒步机动战术,为什么不发扬光大呢 有了行走助力机构,显著提高徒步机动能力,不正是我们长久以来希望的吗 所以,从继承传统战术思想的角度说,发展行走助力机构是必要的.
即使行走助力机构一开始是个奢侈品,小规模的特种使用也可以发挥很大的作用.比如深入敌后的侦察人员,他们背负大量的给养装备,长时间在敌后活动,那么这时候行走助力机构,就能够很好的帮助他们达成机动目的,节省他们的体力,保证长时间执行任务时的身体状况.
当然,当行走助力机构发展到一定程度的时候——更便宜,使用更方便,维护更容易等,所有的步兵都可以装备.那个士兵都希望自己的行动灵活一点,体力消耗少一点,毕竟行动灵活,体力充沛的士兵,拥有更强大的战斗力.
2.5 行走助力机构功能需求的初步提出
从以上的需求分析中,我们可以提出行走助力机构的基本功能要求:
帮助负重行走,提供负重的运动负荷.
足够的行动灵活度,不过多影响士兵的战术动作.
满足持续作战要求,自身要有足够的自持能力.
足够轻的重量,结构足够紧凑.
3 行走助力原理研究
3.1 人类行走研究
3.1.1 行走(Walking)
3.1.1.1 行走的概念
可把行走功能的基本概念归纳如下: 处于地球引力环境中,人类的直立行走是长期进化的结果.一个人的直立行走是在意念(Idea)支配下,经过日常生活训练(学步),养成了适合自身的习惯,建立了固定的神经通路,由此调节有关肌群协同收缩/舒张,带动双腿交替迈步(Swing)/站立(Stance),借助地面反应力(Ground Reaction Force),推动人体不断移动(Locomotion)的一种整体性运动.由此可见,人体的直立行走牵涉到个人的意念; 众多的神经,肌肉,骨骼和关节等复杂的因素.我们说行走是一个复杂的肌肉骨骼运动及神经调节过程.
行走的分类:连续行走——通常行走速度较快时,人的下肢运动是连续过程,没有明显的停顿,速度起伏小;间断行走——通常行走速度较慢时,人的下肢运动是明显的分解动作,速度变化明显,甚至有停顿.连续行走,肌肉能量消耗在行走速度的维持上的比例高,而间断行走时,肌肉能量消耗在维持平衡上的比例较高.
行走不是单纯的下肢运动.
3.1.1.2 行走的基本过程
简单的说,只要人体任何一个部分有相对的移动动作——无论主动的,被动的,实际的,还是仅仅是一个动作的思维准备,人的运动器官就要有相对的动作,而动作的对象,不仅仅是运动的那一部分.
人的运动过程,可以看作是一个闭环控制的过程:有大脑为启动执行过程输入给运动器官的预执行参数,有执行动作过程中控制肌肉动作的神经信号,有感觉器官提供的调节执行误差的反馈信号,还有大脑最终的目的达成判断.
人的运动器官,是一个大脑思维控制的目的达成器!大脑为运动器官输入目标的参数,执行过程提供从感觉器官接收的信息做出的误差判断,执行结束后,大脑还进行目的是否达到的效果判断.
所以即使只是普通的行走,也是不简单的:
从分析简单的平面直线连续行走开始:在一个水平的地面上,人从一个位置,向前直线移动到另一个位置.
首先是大脑做出移动的决定,接着控制人体平衡的器官,使人体的平衡向着意愿的方向失去,为了维持平衡,人的运动器官要做出动作,以维持人体重心的位置,于是人的某一足,以最自然及习惯的方式,向失去重心的方向迈出.大脑在接收到已迈出足的位置信号后,以\"走\"为目的,调节迈出足的迈出速度及其着地位置.因为有了初始改变重心带来的重心水平移动速度,所以此时神经调节平衡的目的是维持已有速度的状态.而所有的加速,减速,甚至是停止动作,都是有神经控制肌肉对施力过程进行调节的结果.加速不过是在迈出时,着地足施加额外的水平力,使人体重心产生加速度,同时迈出足改变迈出幅度,或是调节迈出频率.减速就相反,由迈出足着地时候,使用肌肉产生使重心减速的水平力,并且调节重心足的跟进速度,是重心在双足之间的交替速率减慢.停止的过程与启动相似,最后一步的迈出就要计算迈出步幅,控制重心减速,双足着地后,以一个稳定内力矩,重新获得相对静止平衡.
当然,实际的行走过程远没有这么平顺,重心速度是始终波动的,自然重心也不是始终都处在平衡状态的.人的重心随着双足的交替施力,不但在水平方向有移动,在垂直方向上也是有起伏的.
自然的,重心在垂直方向上的起伏,以及水平方向上移动速度的变换,从能量消耗的角度说,做的都是无用功.也就是说,一个人神经协调能力的强弱,从一定条件上决定了他的肌肉耐力.说一个人运动器官的发达,不仅仅是他的肌肉发达,更多的是说他有运动神经.就是说在多数情况下,神经系统如何指挥肌肉用力,比肌肉本身的能力来的重要.就比如说,专业运动员,都有所谓的标准动作,要求按照这个标准动作完成运动目标,可以使运动效果最大化:游泳有标准泳姿,按照这个姿势规范,可以让人游的又快又轻松.这就是为什么现今所出现的仿人形机械,要耗费比人多十倍以上的做功,来完成相同的动作.而且显得动作笨拙,不协调.
人的肢体本身就是一个多自由度的运动系统,完成同一动作,可以有几乎无数种的实现方式.对健全人来说,一个人有一个人的走法.世界上没有两个人共有一种雷同的行走方式——就算刻意,也没有人可以重复完成同一动作,且两次的动作过程或结果完全一样,更何况是别人的动作.行走和其他生命现象一样显现出多样性并普遍存在着\"个体差异\"(Individual Difference).
3.1.2 步态(Gait)
人体行走的\"方式\"(Manner)和\"风格\"(Style)称之谓\"步态\".也就是说,步态是人体行走功能的外在表现.笼统地讲,步态反映出一个人的身体素质和精神状态.具体讲,步态是人体结构和功能,运动调节系统,行为及心理活动在行走时的综合外在表现.四肢,躯干,调节系统或某些全身性疾病,都能影响一个人的步态.甚至,垂头丧气,志高气扬等精神状态也可从步态中表现出来.
3.1.2.1 步态分析(Gait Analysis) [7]
步态分析是人体运动分析的一个方面.它是利用力学原理及处理问题的手段,已经掌握的人体解剖学及生理学等结构和功能方面的知识,对人体行走时的行为方式及功能状态,进行对比分析,从而提取出与行走有关的生命活动信息的这样一种整体生物力学的研究方法.它是行走生物力学测量,分析,评价的专门技术.像其他的信息提取方法一样,由于处理问题的原理及技术手段不同,步态分析也可分为初级,中级和高级三种不同的技术层次.
(1). 初级步态分析
这一层次的步态分析,又称为\"直接观察形象描述归类分析评价法\".由肉眼观察,靠观察者的记忆,不断积累人类行走的各种形象,进行归类并推测出异常步态的原因.
在使用这种\"步态\"分析法时,即使有经验的专家也会遇到一些困难.因为肉眼观察总带有一定主观性,且不能定量,仅根据个人所见的形象描述,故得出的评价结论不太客观.
(2) 中级步态分析法
对待测者的行走过程进行直接测量,并以一些适当方式表达出测量的数据.对所测数据变化进行简单分析, 得出客观而较量化的评价结果,亦称 为\"直观测量简单分析评价法\".这种方法所得出的参数,多以\"时空\"(Temporospatial)慢变化中的空间特征痕迹的\"时间—距离因素\"为主.如表示行走特征的\"步态周期\",步幅,步长,行走速度,步宽和用电位器方法测出的关节角度…….比如用秒表,m尺并选择一条长5m,宽1m的平地,上面铺上沙子或白灰,让被试者在其上行走,就可测出步幅,周期,步速,步宽等参数.经统计对比分析,就可做出行走功能的简单定量评价.
(3). 现代步态分析法
当前最高层次的步态分析是行走的生物力学分析综合定量评价法.这种方法采用了现代光学及电子学技术,测量出同行走有关原始数据,利用计算机通过生物力学模型对测得的原始数据进行综合处理,而得出一些尚不能直接测量的数据.如行走中人体重心位移,各关节活动的力矩,功率及整体能量消耗等随时间变化的参数,据此做出全面,综合的客观评价.
3.1.2.2 现代步态分析系统的构成与操作
现代步态分析系统由四个部分组成.一是处于同一空间,分布在不同位置的一组电视摄像机和粘贴在待测部位的光学标记点; 二是测量行走时地面反应力的力台(Force Plate); 三是测量有关肌肉活动情况的肌电图仪(EMG); 四是调控以上三部分装置同步运行并对其测量数据进行分析处理的计算机及其外围设备.
应该特别指出的是,每台摄像机测出的仅是二维标记点的空间移动位置,所以要用一组摄像机进行三维重建.然而这些摄像机记录的光点形状相同,计算机不能识别该点到底是人体的哪一个特定位置,就需要操作人员根据摄像机的位置,人体结构及行走动作,对这些光点进行辨识和分类.
大致的操作步骤: 在人体测试之前,先根据实验需要确定各摄像机的位置,并对既定的位置建立相应的空间坐标系; 第二步是实际测试采样; 第三步是光点归类(Sorting); 第四步是根据所搜集到的原始数据.利用数字模型进行分析处理并显示打印分析,评价结果.
3.1.3 行走功能的进一步分析和评价[7]
一般步态分析系统,通常给出行走中的步态棍图,一个步态周期下肢三个关节角度变化曲线,站立相三维地面反应力变化曲线及行走中肌电变化包络线.以此为基础,研究者还可进一步分析,得出自己有用的结果.
3.1.3.1 行走关节矩和功率的分析
为了对行走生物力学机制进行深入探讨,廖金声,刘永斌等(1992)在Vicon系统上开发了一套力—位综合分析软件.在这套软件中,采用了人体矢状面(Sagittal Plane)七节段模型.各节段节间的连接简化为单轴铰接,髋,膝,踝三关节的轴线与矢状面垂直.各节段的质量,质心位置和相对于近端的转动惯量,采用Winter D.A(1985)的计算方法.用Vicon系统对成年人进行分析,得出正常人平地行走时下肢关节力矩及功率变化曲线.通过他们的分析得出,正常成人平地直线行走时下肢关节的力距和功率的特征是:
(1) 踝关节在整个步态周期中基本上是跖屈肌在起作用.
(2) 在蹬离地面时,踝关节有一个很大的正功率,此为人体行走时的主要动力.
(3) 行走中膝关节肌力主要是起被动作用,即控制和缓冲作用.
(4) 髋关节主要起主动作用,其作用的两个功率峰值分别出现在足跟着地前后和足趾离地前后.
3.1.3.2 行走中肌电图变化的分析与评价
从整体上看下肢三关节有关肌群协同收缩/舒张导致双下肢交替站立/迈步.那么下肢三关节伸/屈的相关肌群是怎样活动的呢 Falconer.K和Winter D.A(1985)做了行走中踝关节拮收缩(Co-Contraction)的定量评价研究.他们认为: 主动肌和拮抗肌的相互作用并非一种简单的交互抑制/兴奋支配机制,它也是功能需要而产生的一种生理现象.Baratta等(1988)用EMG和Cybex对正常人膝关节伸屈肌的活动进行研究.结果显示主动肌与拮抗肌的拮抗收缩有助于韧带维持关节稳定性,同时在分散膝关节面压力负荷以及调节关节的机械阻尼等方面起到必要的调节作用.
恽晓平,Sandra Olney,刘永斌(1995),用Vicon系统,对正常人和痉挛性偏瘫患者进行步态对比分析,并提出了拮抗收缩分布曲线(Co-Contraction Profile,CCP)的概念及其量化模型.所谓CCP对膝关节来说是根据股四头肌和月国绳肌在一个步态周期中EMG包络线相重叠部分,积分面积大小变化的曲线.
正常人的CCP模式其拮抗收缩水平增高出现在站立相的负重期(从足跟着地到膝关节达到站立屈曲峰值的一段时间,约为步态周期的15%).这一结果说明了为什么在负重期支撑腿膝关节虽有微屈,却不致跪倒的原因.在正常人行走的负重过程中,股四头肌作为主动肌,进行离心收缩控制膝关节屈曲程度; 与此同时,拮抗月国绳肌的收缩随主动肌活动水平的增加而加强,以起到抗衡的作用.结果表现为CCP的提高,致使站立腿膝关节在负重期的稳定性增加.正常人行走的膝关节CCP模式又一次证实了拮抗收缩与行走生理功能需要密切相关.
3.1.3.3 步态评价的量化模型
步态是行走功能的外在表现.如何客观,定量地评价一个人的行走功能,一直是步态分析研究者感兴趣的问题.80年代初Dewar ME,Judge G.(1980)提出了时相不对称性(Temporal Asymmetry)作为步态量化指标的观点.此后,多位学者(Wall JC.1986,Sackly CM.1991,EKaterina BT. 1995……)接受了步态不对称性(Gait Asymmetry)概念.90年代初,刘永斌,闫宁等(1992)在步态对称性(Gait Symmetry)概念及其量化模型基础上,借用模糊数学中隶属度等基本概念先后提出了五个步态评价量化模型.它们分别是: 行走时相对称指数(Phase Symmetry Index——IDPS),垂直力对称指数(Vertical Force Symmetry Index——IDVF),行走平衡功能指数(Equilibriun Function Index——IDEF),行走制动功能指数(Brake Function Index——IDBF)和行走驱动功能指数(Drive Function Index——IDDF)五个经验公式.
从他们使用这些公式的经验可以看出,不同的人有不同的行走功能的外在表现,每个经验公式(指标)只是外在表现的一个方面.他们的研究还预示了,用模糊数学(Fuzzy Mathematics)中隶属度概念来评价人体行走功能将是一个发展方向
3.1.3 平衡
3.1.3.1 人体平衡器官及平衡维持原理[5]
人体的平衡维持,是人作为一个整体的应激系统来实现的.其牵涉到人体的感觉系统,运动系统的几乎所有器官.是一个\"感觉——应激——再感觉\"的循环协调过程.
耳就是维持身体平衡的器官之一.具体地说,就是内耳的半规管以及前庭中的椭圆囊和球囊.为了使身体在运动中保持平衡,需要很多器官协调配合,及时地觉察身体各部位所处的方位并通过神经自觉地调整相应部位的肌肉动作,使身体不至于失去大脑意识所预定的平衡需求.它们包括肌肉,关节,韧带,眼睛和皮肤等.但是最主要的是内耳前庭器官.
前庭器官中的三个半规管是相互垂直的,它们对人体的旋转运动特别敏感.头在运动时,由于惯性关系,三个半规管中至少有一个半规管里的内淋巴液随着头的运动而流动.这种流动能够冲击壶腹嵴细胞,产生神经冲动,传给大脑.大脑综合传来的各种信息,\"命令\"有关的肌肉,让它收缩或松驰,来保持身体的平衡.
前庭中的椭圆囊斑和球囊斑是专门感觉直线运动的.在椭圆囊内,耳石膜的耳石平等排列着;而在球囊中,耳石是垂直排列的.人体直线运动时,耳石会发生倾斜,使得毛细胞的毛变形,毛细胞受到牵拉,便会引起相应的神经冲动.大脑再根据传来的信息,做出适宜的决定.当前庭器官将神经冲动报告给大脑,大脑命令相应肌肉的力量产生改变时,主管眼球运动的肌肉也会有节律地收缩.这种运动会产生眼球的特殊运动——眼震颤.可以告诉大脑,现在所命令的肌肉动作正在执行,从而产生一个辅助反馈信息,告诉大脑肌肉其他渠道的到的神经反馈是否确实正确.
3.1.3.2 平衡控制过程初步分析
人体的平衡维持,简单的说,就是\"感觉——应激——再感觉\"的过程.但是,作为工程问题,这样的定性描述是不可以用来解决具体问题的.我们需要研究人体对于各种各样失衡状况,是怎么处理的,归纳出用数学模型描述的可以定量的工程原型.但是简单的数学模型,是不足够描述复杂的人体的平衡控制的.
以一个非意识状况的突发失衡控制来描述人体平衡控制的作用机理:
人处在正常的匀速行走过程中,身体各器官处于循环工作状况中,人的大脑意识没有将注意力放在行走这一基本动作中.既是说,人所处是一个相对稳定的环境,行为意识没有调用视觉反馈,来调整动作输出的必要.人的中枢神经系统,这个时候只是控制身体重复执行一个动作.
在以上所述的稳定行走状况下,路上突然出现一个影响步行动作的石块,而这个石块,没有被不专注于行走的人注意到.那么在行走者以为路况不变的情况下,没有对那个石块做出规避动作——改变迈步的方向,或是迈步的幅度,或是改变抬脚的高度.而是按照没有石块的正常路况,仍然按照原有的迈步方向,迈步幅度,以及抬脚高度,继续执行行走动作.
当路上的这一突现石块,干涉到人的迈步动作时,由于迈步动作不能顺利完成到位,破坏了人的行走节奏,以致按照行走速度向前匀速移动的人体重心,由于惯性,脱离了双脚的有效支撑,使人处于突发失衡的状况.
这种状况,人的重心,基本上是以脚被石块干涉的位置为圆心,产生一个圆周加速度.人的前庭器官对于这种突然的产生的刺激,反应灵敏,神经冲动异常强烈.以多数人的行走能力来看,长期的行走训练,对这样的突发情况,都有形成最符合自身动作习惯的保护动作.这种保护动作是一种无意识的应激反应.这样的应激反应的输出回路,没有大脑意识判断的步骤,是前庭的强烈神经冲动,引发在中枢神经中的固有反应回路,产生的运动器官执行动作——或者是未受石块阻碍的一边脚,应急做出一个前跳的动作,从而重新获得重心的支撑;或者是受阻碍的一边脚,应急做出一个上提的动作,然后加速前摆,赶上原行走节奏,使重心获得应有的支撑;或是……
个人的行走习惯是不一样的,所以应急反应动作也不一样,各人的应急反应总是最符合各人的身体状况的.这与行走多样性一样,应急反应也普遍存在着\"个体差异\".
我们研究这样一个简单的应急反应过程,就可以发现,描述这样一个应急平衡控制,需要的初期参数,就有:人体结构数据,形体行走数据,步态参数,突发情况描述参数,反应过程参数等.而每一个项目,都是因人而异的,而且为了控制的精确性要求,每个项目都有复杂而多项的参数.
更复杂的是,同样的情况,每个人的应付动作是不一样的.所以每个人的平衡控制模式,不只是细节的差别.
3.2 行走助力研究
3.2.1 无助力情况人体运动疲劳研究
3.2.1.1 运动疲劳及其产生机理
(1)运动疲劳的概念
人们工作或运动到一定的时候都会出现组织,器官甚至整个机体工作能力暂时下降的现象,叫疲劳.疲劳是一种生理现象,经过休息疲劳消失,工作能力又重新得到恢复.传统上,疲劳被看作是劳累过度的肌肉不能实现正常功能的结果.对于运动疲劳的产生机理,运动生化界一直未达成一致的看法,又加之运动疲劳与劳动疲劳,心理疲劳的密不可分性,使得运动疲劳没有确定的概念.1982年,在第五届国际运动生物化学会议上明确提出了运动疲劳的概念\"有机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上或不能维持预定的运动强度.\"
(2)运动疲劳的产生原因
对于疲劳产生的原因,过去科学家主要有三种解释:
能源物质的耗竭学说:肌肉活动到疲劳时,能源物质(如糖元,三磷酸腺苷,磷酸肌酸等)的含量下降.因此有人提出疲劳是由于这些物质的耗竭而引起.
疲劳物质的蓄积学说:肌肉或血液中有些物质(如乳酸,丙酮酸等酸性物质)随疲劳程度的加深而增加.因此有人提出疲劳的产生是由于肌肉收缩时物质代谢产物的堆积所致.
机体内环境稳定性的失调学说:运动中产生的酸性代谢产物使机体体液PH值下降,PH 值下降到一定数值时,细胞内外的水分,离子的浓度就会发生变化,人体就不能继续从事运动.因此有人认为疲劳是机体内环境稳定性的失调所致.
现在,一种新的解释是:大脑才是长时间工作或运动后感觉疲劳的原因,大脑的\"介入\"是为了肌肉不容易受到损伤.
南非开普敦大学的保拉·罗布森-安斯丽教授和她的同事最新的研究发现,一种叫白细胞介素-6(IL-6)的人体信号分子在提醒大脑何时降低运动速度方面起着关键作用.长时间运动后血液中IL-6含量要比正常时高60至100倍,即使给健康人注射IL-6,他们也产生疲劳感.[15]
但是大脑令身体产生疲劳感觉应该不只是简单的取决于一两种物质.对于人的大脑对身体肌肉的输出控制,本身就是一个复杂的神经调节过程.所以可以影响大脑对于疲劳判断的因素有很多,不只是人肌肉的物质状态.人的意识判断,精神状态,所处环境等因素,也有重要的影响.通俗的说,身体状况相同的人,所谓的意志力强的人,感觉到疲劳的极限要高.
3.2.1.2 运动疲劳的应付对策
应对运动性疲劳,宜从两大方面入手:一是延缓运动性疲劳的产生;二是促进运动性疲劳的消除.
从传统的理论研究延缓运动性疲劳的产生,所得出的结论无非是关于提高肌体功能,锻炼意志力等常规手段.士兵日常所进行的体能训练的主要目的,就是提高士兵身体本身的基本素质,锻炼士兵的意志力.从整体运动能力的角度提高士兵的肌肉力量,身体耐力,提高士兵的疲劳极限,以及克服疲劳极限,能够最大限度的发挥潜能的能力.
又或者使用神经欺骗剂来向大脑传递身体不疲劳的信息,从而轻易的将身体的潜能全部发挥.甚至使用兴奋剂,使人体长时间处于亢奋状态,使其无论是战斗意志,还是战斗能力,都能在一段相当的时间,保持士兵自身的最佳状态.但是在兴奋剂效力过去之后,由于体力的过度消耗,需要比正常情况更长时间的恢复期,而且对使用者的身体有一定的损害.美军和前苏联都有储备这类药物的报道,具体的医学文献,也有相当公布.
在人体进入疲劳状况以后,疲劳的消除就显得很重要.通常的做法,是降低运动负荷,调动人体自身的恢复机制,经过一定的时间,人体就可以自觉从疲劳中恢复过来.
新的研究还表明,转移注意力,也是克服疲劳的方法.既是说,在人体感觉到疲劳的时候,将人的注意力从疲劳上转移到别的事上,注意力一转移,人的疲劳感觉就不那么明显了.但是实际上身体的消耗还是未变的.甚至说,人一开始就没有注意到身体的感觉,一直到对于某件事物的注意分散后,才注意到自身的身体状况.就是说,在做事的过程中感觉不到疲劳,结束了才觉得累.
3.2.2 负重助力的作用原理
研究表明:一般人负重不超过体重的1/5时,可以较轻松地承受;负重达到体重的1/4时,长时间行进会感疲劳;负重到体重的1/3时,灵活性受很大影响,完成攀登,跳跃等动作很困难.所以,通常情况下野外活动中负重以不超过体重的1/4为宜.
具备相当训练水平的士兵,其身体条件较一般人高,感觉负重轻松的标准可以提高到体重的1/4.我们在轻松的标准和需求的负荷之间求一个平衡,将最高标准定在体重的1/3.事实上,从各国的标准负荷看来,似乎都没有超过这个极限.但是我发现,我所研究装置需要面对的使用条件,不是需要负荷大大超过标准的负荷;就是需要在标准负荷的状况下,应付及其复杂的地形;甚至在超标准的负荷状况下,长时间的机动作战要求.
即使是特殊训练过的士兵,在上述特殊状况下,体力都是很大的问题.这样的行动负荷,任何士兵都容易感觉到疲劳,而且过量的负荷,使得身体没有机会自我恢复,从而轻易的进入身体疲劳期.即使精神上由于某种原因不感觉疲劳,实际的身体状况,也是在不断的消耗中.
概括得说,就是负荷越少,越不容易感觉到疲劳,感觉到疲劳后恢复的可能性也越高.简单的越轻越优的原则.
所以,从助力机构的基本功能看来,助力机构就是要帮助士兵负重.使士兵感觉到的重量负荷降低到不会使他们感觉到疲劳的水平.通俗的说,使用助力机构后,要使士兵在60kg作战负荷的条件下,拥有6kg负荷时的机动水平——类似这样的比例关系.
负重助力的作用原理,就是分担人体负重的动力负荷,使得人体自身的肌肉能力,只要负担自身体重及小部分负重的动力负荷.从而降低人自身的肌肉负担,达到减轻负荷的目的.
3.2.3 助力机构的助力过程简单研究
3.2.3.1 肌肉做功分类
我们知道肌肉做功分为静力功和动力功.动力功是肌肉改变肢体位置所做的功,静力功是维持肢体位置所做的功.作为负重机构助力,静力功助力可用刚性支架来分担人体负重的方法来实现.
助力机构的动力装置,就是主要负责动力功助力的.如何控制动力装置在合适的时候对助力支架施力,则是助力机构控制的关键.我们要让动力装置,在合适的时候保持支架的位置及形状,合适的时候改变支架的位置及形状.前者是静力功助力,后者是动力功助力.
动力功的输出,主要用在身体内力,及对外的外力上.例如行走过程的摆手,抬腿等改变字体位置,但没有跟接触面直接发生力接触的动作所耗费的动力功,就是内力功.内力功通常是消耗用作人体的运动平衡的.而脚蹬地的动作,就是耗费动力对外做功.外力功则是消耗在使人体重心改变运动状态的.
当然实际的情况远比说的复杂,同一个动作,在不同的时候可能消耗的是是内力功,也可能消耗的是外力功
3.2.3.2 简单行走的助力研究
从前面的\"3.1.3.1. 行走关节矩和功率的分析\"一节中,我们通过一般的步态研究手段得到正常成人平地直线行走时,下肢关节的力矩和功率特征的简单结论,以这个为前提,讨论简单行走的助力过程.
从做功的角度说,我们可以发现,平地直线行走时,踝关节和髋关节附近肌群主要起主动作用,膝关节肌力主要是起被动作用.既是说,在脚蹬离地面时,踝关节有一个很大的正功率作为人体行走是的主要动力;在足跟着地前后和足趾离地前后,髋关节附近肌群的动力达到最大值;而膝关节肌力主要起控制和缓冲作用.所以助力机构在这三个关节上都要能产生动力输出,而且能分别控制动力装置的力输出.
负重行走时,由于运动质量增大,不但踝关节和髋关节的动力输出变大,更重要的是膝关节的控制和缓冲负荷增大.而控制及缓冲能力的下降,间接的导致肌肉做功效率的下降,更加剧其他动力肌群的动力负荷,使得有限的肌肉能力消耗的更快.而且,控制能力的下降,对于突发情况的应付能力有严重影响,这就是下肢无力的时候,容易扭伤关节的原因.
当然,钢架的稳定作用,对于膝关节的帮助是明显的,对于维持两个动力源间的动力臂的稳定是重要的.
因此下肢稳定钢架不但是一个负重支撑架,也是助力机构的动力装置形成动力的力杠杠,更是助力机构的动力传递到人体的媒介.
3.2.3.3 复杂动作助力
讨论了相对简单的平面直线行走,我们再看复杂动作的助力.复杂动作跟平面直线行走不一样的在于各个关节的动力输出特性不一样没.更关键的是,复杂动作所面临的平衡控制问题.这就是目前助力机构,不能应付复杂地形的助力需求的原因.
因为平衡控制的前提在于失衡判断,这样的失衡判断,是建立在人体前庭器官这样的感知传感器的有效探测上.而且,既然是助力机构,其平衡控制也需要跟人体协调.
平衡带来的问题,不但要求动力机构的施力曲线更精确,也要求动力输出对于控制的响应时间要短.否则就会对使用者的动作协调性带来严重影响,从而增大使用者自身身体控制消耗的体力,使得助力变得没有意义.
我所面临的困难,是提出一种建立在有效控制体系之下的实用动力输出模式.使得人体负荷最小的情况下,能实现人体动作,对助力机构动力输出的直接控制,且要求助力机构不影响人动作的平衡性,协调性,灵活性.
4 行走助力机构的概念及整体设计方案的初步研究
4.1 行走助力机构的概念
4.1.1 行走助力机构基本概念
行走助力机构是一种在人的下肢外部,使用随动机械结构产生动力,为使用者提供额外的负重能力并提高其下肢肌肉的力量及耐力的装置.
行走助力机构既不是人体下肢运动功能的代替装置,也不是在运动起主导作用.它只是对人体下肢的能力扩展装置,在与人体下肢运动器官运动同步的前提下,提供额外的力量输出.它能在不影响使用者的运动功能的前提下,代替使用者的肌体,提供对使用者背负质量的运动负荷.
行走助力机构应该包括如下既独立又互相联系的部分:
背负系统及下肢连接架
背负系统中包含能源储备,动力源,控制系统等的配置位置.
背负系统将使用者背负的重量,全部通过下肢连接架传递到下肢外支撑架上,同时保证整个装置与使用者的贴合,保证行动的可靠性.目的是让使用者感觉到背负装置的存在,而感觉不到背负的重量.
(2)仿生腿形下肢外支撑架
类似人体的外骨骼,通过连接部件与使用者的下肢同步并联起来.负担使用者背负的重量,传递动力装置的助动力.
(3) 动力输出装置
作用在下肢外支撑架上的动力装置,根据控制系统的指令,能够线性或非线性的输出动力.代替人体下肢肌肉对负载输出行动动力.
(4)独立能源系统
作为独立的作战系统所必须要有的部分.具备一定的自持能力以及易于补给的特性.
(5)传感器系统
适当的传感器布置,是保证助力机构对人体动作适当反应,以及使用环境适应性的前提条件.
(6)控制系统
不但能够按照程序设定的参数,对助力过程进行控制;更能够根据环境的变化,以及使用者的身体条件变化,对控制参数进行修正.
4.1.2 行走助力机构实用性概念
通过使用行走助力机构的帮助,士兵能够在预定的战场环境下具备轻松完成长距离负重机动的能力(包括具备复杂地形的通过能力).这就要求助力机构需要有如下特性:
装置本身应与使用者的行动(不只是行走)具有高度的协调性.
基本不影响人本身的行动灵活性,体积要小——不影响士兵的战术动作,不造成隐蔽的困难.
可靠性要高,不只是工作性能稳定,还应具备一定的抗损坏能力.
总重量要合理,装置重量加上负载重量也不应超过人体的行动极限.
要能方便的进入及脱离使用者——损坏或能量耗尽的时候,能马上脱离使用者,不至于成为行动的负担.
为了实现以上的使用性要求,在行走助力机构的基本概念的基础上,我扩展了实用性概念.其中对于行走助力机构的各组成部分的要求更具体:
(1) 背负系统及下肢连接架与使用者身体的主要连接部分,在人体腰部的位置,肩部的背带主要起辅助连接的作用.
这是因为,在传统的无助力背负系统设计中,已经引入了利用内部支撑的金属架和包带,将所有背负的东西结合成为一个整体的设计概念.并且将背负的70%重量通过宽阔柔软的腰带直接传递到背包者腰部.而不再像传统的背包一样,全部重量用双肩来负担.这样可以放松人们的上肢,长时间负重也不会感到疲劳.
但是由于背负系统的设计,是要求将背负重量,全部通过下肢连接架传递到下肢外支撑架上,直接作用在地面上,而不通过人的腰部,对下肢骨骼传递负荷.所以下肢连接架与背负系统连接的设置位置,也应该在人体腰部.
对于背负系统的重心设置问题,我们也应该参考传统无助力背负系统的设计经验.当系统空载(空载时也有装置自身的重量)或满载的时候,都要求背负系统能保证其重心与人体上肢重心基本重合.这样才能保证人体的平衡控制,能对助力机构的平衡控制起到有效的引导作用,使得使用者的动作协调性得到保证.
(2)仿生腿形下肢外支撑架的设计应与动力输出装置的设计同步考虑,以动力效率为优先考虑,在满足体积及灵活性可靠性要求的前提下,不一定要沿着人体下肢骨骼的方向.但是关节的位置应该是与人体相同.
当然,外支架的机械学设计,远没有说的这么简单.不但设计到机械系统动力学,更涉及到人机工程学.其中牵涉到个人身体尺寸的差异,不是每一个使用者都可以使用一样的外支架的.
(3) 动力输出装置和独立能源系统
对系统的体积及重量要求,使得动力装置一定要做到体积小,功率大,重量合理.而能量储备系统的储能密度也要求的很高.
(4) 传感器系统和控制系统
控制系统根据传感器的反馈,对助力过程动作进行控制.所以反馈时间,控制反应时间必须计算精确——不是简单的响应时间短就可以的.
传感器应该能够感知环境的状况,系统的运动状态,使用者的身体状况等各个方面能够影响助力过程的状态参数.
4.2 对已有助力系统设计的分析
4.2.1 对Bleex的设计分析
目前已面世的行走助力机构,只有美国加州大学伯克利分校为美国国防部的\"尖端国防产品研究所\"研制的BLEEX(Berkeley Lower Extremities Exoskeleton)——伯克利下肢外骨骼助力器.
分析了所有关于Bleex的中文报道,没有发现相关的技术资料.英文网页的所有相关技术参数描述,都是基于伯克利大学的官方网页的相关介绍性描述,而相关的图片也只有源自官方网页的一张.
但是,这张唯一的图片,也能给与我们很多启示.结合其官方资料,我得到如下对Bleex的分析结果:
Bleex的助力重点在膝关节和踝关节上,外骨骼与人下肢的连接点有腰连接,膝下小腿连接,鞋连接.合计一共五点.外骨骼与大腿间没有连接.这样的连接设计,在保证一定助力需求的同时,最大限度的保证了髋关节的活动自由.(髋关节是人体下肢关节中,唯一的广义三自由度关节.踝关节在行走中,通常只有一个自由度.)但是其可保证的膝关节的最大弯曲角有限,对髋关节的助力作用也有限,不可能保证复杂地形的通过能力(如登山).
助力输出在一个简单平面内.在单边外骨骼中,使用髋前,膝后,小腿前三个液压输出机构,构成一个平面形态控制机构.髋部采用一个转轴垂直的单自由度关节,保证可通过髋关节控制行走方向.但是这样的设计,限制了一个髋关节自由度(腿不能外摆,或外摆度有限).
3)踝关节是几个自由度的还不是很清楚,但是如果只有一个自由度,对地形的适应能力就太差了.估计跟小腿骨垂直的两个轴线都是可以有限转动的.
4)根据资料,Bleex有40个左右的传感器,用一个\"body lan\"的总线系统,与控制电脑连接起来.比较有特别提到的,是脚掌上的压力传感系统,我们也知道,脚掌压力可以最直接的反应人的不同行走状态.
5)动力装置应该是液压马达,在照片中可以明显看见管路,以及电控多路阀这样的装置.据资料马达采用的是电池供电,动力可维持约1个h.可以提供约32kg的负重能力.新的消息是,Bleex二代采用的新型发动机将会使用过氧化氢作为动力.过氧化氢一旦和催化剂接触,不需要燃烧,马上就能急剧膨胀.体积更小,噪声也更小,动力更强劲持久.所以装置的负载能力可以提高一倍,达到60kg.加满燃料后,动力系统可以持续运行长达两个h.
6)控制电脑,动力装置及能源装置都装在背负系统中.系统全重在50kg左右.初期型号只有32kg的负载能力,即使新型号将负重能力增加到60kg,整个系统的能动比还是太低了.
从产品的角度说,Bleex还是一个工程验证模型,是一个实验样品.虽然其作为一个已经能够实现功能的机械产品,但是与实际使用的要求,还有较大的差距.不可否认其先进性,无论概念还是设计,都是值得借鉴的.
4.2.2 典型助力系统EPS的工作原理分析
目前最常见的直接动作控制的助力系统,是汽车转向助力系统.传统的转向助力系统是液压驱动的,而现在的比较先进的转向助力系统,一般是直流电机直接驱动的,既是电动助力转向系统俗称\"EPS\"(Electrical Power Steering).
电动助力转向系统是由电器控制器根据传感器信号反馈控制助力驱动装置来实现助力的转向系统.
电动助力转向最基本的工作原理:驾驶员操纵转向盘时的转向力矩通过转向齿轮和转向拉杆传到汽车的转向轮上.与此同时,扭矩传感器根据转向力矩的大小给出响应的电位信号,而车速传感器给出车速信号,两信号都送到助力转向系统的电子控制单元.电子控制单元根据目前的车速,计算出所需要转向力矩,减去驾驶者自身的操作力矩给出所需要的转向助力参数信号,这个信号通过控制输入到转向助力电机的电流来实现控制所需要的转向力大小.转向轮上最终得到的转向力矩是驾驶员转向力矩和转向助力的总和.
此类系统一般由转矩传感器,电控单元(微处理器),电动机,减速器,机械转向器和蓄电池电源所组成.
当不转向时,电控单元不向电动机控制器发信号指令,电动机不工作.同时,电控单元根据车辆速度信号,通过电液转换器确定输给转向盘的作用力,减少驾车者在高速行驶时方向盘\"飘\"的感觉.
由对此典型助力系统的助力原理的分析,我发现一般助力系统的助力过程,都需要涉及到以下三个阶段:
使用者动作输入力检测.
相应情况下力需求计算.
控制动力输出.
其中的关键技术,既是力的检测,及相应状况的需求力标定.
4.3 行走助力机构的总体设计目标
行走助力机构是一种以帮助徒步作战的步兵提高负重机动能力为目标的特种作战辅助装备.其以机械动力装置,为负重士兵提供额外的肌肉能力,并与士兵的下肢动作一致,不影响士兵行动的灵活性.
我以我军的实际作战需求为前提,根据目前能够实现的技术水平,提出行走助力机构所需要达到的设计目标:
能够为至少35kg的负重,提供12h的连续助动力.
以现在的作战条件来说,超过12h的徒步机动距离,使用徒步突击作战都是不合理的.既是说,12h是士兵特殊地形机动的极限.12h后,必须要修整与补给.即使是脱离后方支援的伞降部队,也不可能要求士兵12h不停的进行机动(当然,35kg的助力能力,对伞兵还是远不够用的).换一个角度说,在目前的动力能量密度条件下,要求更长的支持时间,技术上是无法保证重量要求的.
整套行走助力机构,包括支持12h动力的燃料,重量在25kg以下.
以35kg的负荷助力能力为前提,1.4的助重比是合理的.试想,既是助力装置突然实效,一共60kg的总重量,也不至于使的普通士兵完全失去行动能力.(当然,在高原山地,60kg的负重几乎是不可能完成的任务)
工作噪音应该满足在无风的一般植被热带丛林条件下,25m外不能明显察觉.
如果行走助力装置工作时候产生像摩托车一样的噪音,那么行走助力所帮助完成的徒步机动的隐蔽特点也就消失了.特别是在热带丛林这样的作战环境,声音是了解敌情的主要手段,过大的噪音,对于机动部队作战能力的打击是致命的.而一般的高原山地,背景风噪音较大,这样问题似乎不明显.但是高原山地地形开阔无遮蔽,顺风情况下,声音传播的更远,所以最好还是把装置噪音,溶入背景的风噪中去.
红外特征不应明显超过士兵本身太多.
在先进红外夜视装置已经普遍装备的今天,夜色已不是作战行动最好的掩护了.任何作战装备的红外特征,都应该在可能的情况下尽量的不明显.应该应用任何可能的伪装手段,减小装备的红外特征.而单兵装备的使用,自然要求不影响单兵的隐蔽性为前提.以一个红外伪装后的士兵的基本红外特征为标准,来衡量一个单兵装置的红外特性是必然的.
助力机构在背负系统中所占体积,不应超过30%.外骨骼助力机构体积不应超过士兵下肢体积的150%.
不是说士兵使用了行走助力机构进行机动,就不需要再使用其他的机动工具了.而在使用其他机动工具的时候,单兵装备体积是受限制的.比如拥挤的装甲运兵车,甚至是空间本身就不宽裕的飞行机动工具.所以小一点的体积,对于机动协调性是重要的.
外骨骼助力机构突出对踝关节,膝关节助力的同时,忽略帮助髋关节肌群施力的能力.
装置没有对髋关节助力提出助力的要求,是因为人的髋关节肌群是能力较为强的肌群.而且装置本身的自重要求,使得不可能提供很多的出力结构,更因为负载总体重量不是很大,助力的效率上说,对髋关节助力得到的回报较低.
完全防水能力.
且不说海军陆战队这样的作战单位可能需要的涉水作战,一般部队应付机动中的小河流,或者降水气象条件等等,都需要军用装备需要的防水功能.而完全的防水功能,对于助力机构这样的精密装置来说,技术上完全可以实现的,而且对于电器设备的保护,完全防水是绝对必要的.
结构强度要足以应付士兵的任何战术动作带来的冲击载荷.
既是说,不能因为士兵做战术动作,造成装置的损坏,以致助力功能失效.如果因为使用了助力装置,让士兵的战术动作受到限制,那么这样的装置对于作战的实际意义就不大了.一个只用在机动过程的精密工具,战斗中需要脱离,那么使用的局限性就足以让它不能装备了.而且足够的结构强度,是保证抗损坏能力的前提.战场上,它跟士兵的肉体一样,会受到子弹,和破片的威胁.
控制系统具有学习能力.
由于士兵个体之间的身体差异,每一个士兵所需要的助力机械是不一样的.这不但体现在外骨骼尺寸的差异上,也因为个人行走步态的不同,需要的助力过程不一样.但是我们不能为每一个士兵的定制一套操作控制系统,只能使通用的控制软件具有学习能力.经过每个士兵一段时间的使用,使得行走助力机构能够自动调节,不断适应士兵的动作,从而得到能够得到最有效率的助力控制.
另一方面,机动过程的环境是变化的:温度,湿度,工作负荷,路面情况,装置自身的损耗,使用者的身体状态等,都是动态的,行走助力机构需要对根据具体的情况,对工作参数做出实时的调整.这些都是控制系统的学习能力的要求.
4.4 行走助力机构总体设计方案
4.4.1 总体结构及驱动方案讨论
经过上面总体设计目标的讨论,我对于行走助力机构的重量,体积,自持时间等都有了定论.在助力方案上,也得出了在有限的重量体积下,只对膝关节和踝关节肌群助力的结论.
4.4.1.1 助力驱动单元
在现有的技术条件下,液压驱动无疑是这种设备条件下能动比最高的驱动方案.所以Bleex就采用了液压驱动的方案,而且液压驱动的技术门槛低,易于实现.但是,我认为液压驱动方案不是最优的:
液压驱动系统因为原理的限制,在控制响应速度和精度上有先天的不足,且提高这两项指标要付出的控制及制造成本巨大.
液压驱动系统的结构复杂,维护及制造成本高,使用可靠性难以保证.
液压系统的能量使用率低,不利于提高能动比.
以对重量和体积也有极高要求的航空设备的发展趋势来看,采用程控直流大功率步进侍服马达,已经成为代替液压设备的主流趋势.
所以,我在我的行走助力机构的驱动方案中,采用直流步进马达作为驱动单元.我认为其优点在于:
控制模式更简单,直接,且控制精度易于保证.
结构更简单.减少了运动传递部件,直接给关节施加力矩,效率更高.
制造成本虽然初期较高,但是大批量后易于降低.
维护和使用更方便.
4.4.1.2 能源装置
选择了使用直流电驱动的马达,电源问题就直接而来.从技术成熟的角度说,能够达到高电能密度的,唯有锂电池.但是,既是锂电池的能量密度,仍不足以保证12h的自持力.且从战术使用及补给的角度说,野战条件充电是不切实的.充电设备不说,大容量锂电池的充电时间也是个问题.
行走助力机构作为一个机动工具,最好能像车辆一样,采用液体燃料加注的方式实现能量补充,或者就像使用液化石油气那样,是直接的模块化燃料罐.这就带出了燃料电池的概念.
燃料电池将化学能转变为电能,其最主要的优点是热效率高和污染极低甚至达到零污染.而且能量密度比锂电池要高很多,比如质子交换膜燃料电池质量比功率为700W/kg,体积比功率为1000W/L.锂电池虽然质量功率高达1500W/kg,但是电池质量能仅为175wh～300wh/kg,为燃料电池的十分之一左右.
目前的移动设备,比如笔记本电脑,已经有使用燃料电池的产品面世了.比之锂电池,设备的移动使用时间提高了至少3倍.世界各大公司甚至在研制手机用的燃料电池.可见燃料电池作为移动设备的能量来源是有发展前途的.
特殊的情况,可以使用核电池,其自持能力就几乎不受装置储能的限制了.核电池是利用放射性物质的辐射能,产生电能的装置.其功率密度高,能量几乎无限.苏联早在60年代,就在军用卫星上装备了核动力电池.可见其技术实现与工作原理一样并不复杂.只是因为价格以及环保问题,使得核动力电池不能广泛应用.
4.4.1.3 外骨骼及驱动配置
选用关节直接输入电机扭力的方案,在双腿外骨骼的膝关节与踝关节分别布置直流电机,一共4台电机实现助力的动力输入.对于单边外骨骼,在髋关节处使用一个水平摆动单自由度关节与下肢连接架,使用与膝关节,踝关节同一转动平面的单自由度绞接关节与大腿外骨骼连接,实现对人体髋关节的两自由度功能模拟.在脚掌外骨骼与地形适应鞋间,使用一个轴线在水平面内与踝关节轴线垂直的单自由度地形适应关节,实现对踝关节的自由度补充,满足地形适应要求.大体的布置,见如下线条示意图:
4.4.2 传感器与控制方案讨论
为实现步态平衡控制与运动协调,环境信息实时采集与处理,实现设计的行走助力功能.行走助力机构需要各类的传感器为动作判断提供信息,根据预设动作参数,计算所需助力输出.
根据肢体行为直接驱动的助力系统的基本工作原理,我得到系统控制基本原理框图如下:
肢体行为控制输出助动力的模式,可以简化操作,但是其对传感器的要求就很高了.传感器需要在人肌肉动作开始的一瞬间,将人的动作信号传递到控制电脑,控制电脑判断出人的动作企图,根据响应的设定参数,决定输出动力的方式,并且根据人已使用的动作力,决定助力的大小.使得装置能够与使用者同步用力,分担使用者的动作负荷,达到助力目的.
传感器要实时监控人的肌肉以及助动力的出力情况,将相应的运动参数返回控制电脑,控制电脑根据相应时刻的整体运动状况,再决定下一时刻的助力.或是在稳定地形,使用固定输出模式,直接带动人的行走动作.
要实现传感器的实时监控功能,我认为传感器与控制电脑间需要有良好的联系.应使用专门的并行总线系统,实现数据的交换.其数据流如下示意图:
图中,出现了六大类传感器:
身体<a name=baidusnap0></a><B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>.主要反应各外骨骼关节的转角参数.
重心加速度传感器.类似人的前庭,可以给出装置联合人体的横向,纵向的直线加速度,以及三个转轴的角加速度.
脚底压力测定单元.一个特殊的压力传感器列阵,在地形适应鞋与脚掌外骨骼之间.以一定的方式分部在脚掌下方.
环境参数传感器.主要给出所在环境的温度,湿度,甚至是风速等信息.
装置状态传感器.主要给出装置本身的状态参数,例如能源储备,电机润滑,电机效率等.
人体生理状态传感器.包括指示使用者的脉搏,血压等生理参数.
此外,电机自身也会反馈执行状况.从而整个系统构成一个多精度的闭环控制结构.有较大的探测冗余,可以互相代替彼此作用,而且可以互相校准得到的信息.
5 行走助力机构的技术瓶颈
5.1 行走动作预设参数制定
在行走助力机构的助力控制中有一项很重要的数据设定——行走动作预设参数设定.我们必须使用这项参数来控制各种情况下,不同的助力动作.
由于人类行走动作的是\"个性化\"化的,而且根据路况,使用的行走动作也是随机的.所以,我们很难使用一种固定的数学模型来具体的描述行走过程.所以我们也很难得到一个固定的助力输出设定.
由于以上的原因,我们需要行走助力机构具有学习能力——针对它的每一个使用者,\"学习\"出一套最适应使用者行走习惯的助力模式.
智能机械得学习的过程主要使用两种规则[18]:
一种是监管指导学习:每一个由变量数据都有与其相对应的适当的动作数据做出反应,每个环境变量数据是由传感器输入的信号,经过特别的收集处理而得到的数据集中的一个.这种预设的输入/反应配对模式,称为训练设置,使用一个称为规划教学模型的程序.这个程序是程序员试图为机器人在一定的任务模式中使用而设计的教授部分的程序.程序像老师一样,告诉机器人什么是完成任务必须的.这就是给机器进行初始设定,使其在监督指导学习模式下能克隆老师的行为.
在监管指导学习模式下,控制系统试图将输入/输出行为模拟为一个在任务中具有熟练能力的老师进行学习.这种方法既是有时被称为\"行为克隆\"的方法.学习部分的程序,在增强学习模式下通过任务,在任务中形成行为.学习指导是通过使用者的操作,最初设定,环境等因素所形成的反馈来实现.学习是通过调教机械的控制来实现装置对各种预设的环境条件做出正确的或近似正确的反应.
在行走助力系统的助力学习阶段,我们可以直接利于装置本身的传感器系统,对使用者的行走数据进行采集.方法就是不带负载,只配置助力机构的重量,使用原始的助力方法数据,让使用者直接在佩戴助力机构的情况下,在一定的地形条件下,行走一段时间.让系统在这段时间中采集人体行走数据,根据一定的程序规则,就可以达到一定的\"行为克隆\"目的.
另一种,被称为增强学习方式的方法,任务是给装置在实际的工作状态下,偶然遇到的积极或消极的环境因素造成的执行偏差给予动态补偿.学习的过程,即是程序试图修正控制系统的补偿值,使长期的,固定调整参数最佳化(没有可靠的输入数据可以证明这些参数的正确性).
这对于行走助力机构就要求使用者对同一装置,积累足够的使用数据.在更多更复杂的环境下,使用这一装置.给装置足够的\"学习\"机会
5.2 传感不确定性与传感器冗余
对于精密的机电一体化的系统,行走助力机构无论是零件制造还是装配上,都存在个体差异.所以其精密的控制要求,使得它对传感器的灵敏度及精确度有十分高的要求.
但是,传感器具有不确定性,特别在多元输入行为决策控制上,传感器列阵的不同输入,带来的是不同的行为判断.
行走助力机构要求能对传感器信号进行知觉化处理,以确定使用环境状况以及自身机械电器状态.假设,只要是在与助力过程相关的任意的细节设置中,我们可以将这个任意细节的集合定义为,包含助力机构所处的状况的任意参数.假设助力机构传感设备输送的一个状态参数信号S,通过一个映射,表现为一个输入向量X.既是说,只要是与助力机构相关的,所有的状态信息都表现在一个向量信息中.(我有时将X简称为输入代理,即使输入实际上是首先处理过程.)
关于我所涉及的领域,在状态感知映射处理上,有两种不理想的情况.因为随机信号噪声可能是一对多的映射,所以相同的状态状况信息可能通过输入电路处理后,被映射为不同的信号;又因为随机信号可能是多对一的映射,所以不同的状况信息可能通过输入电路的处理后,被映射为一个相同的信号.后一种不确定性被称为感知混淆.一种减轻感知混淆的方法,是将上述的传感器输入信号所组成的输入向量,用一个线性存储结构记录起来.通常,不同的环境状况向量经由不同的输入次序组成,通过这种输入次序与历史数据的比较,可以区分相同映射的不同环境含义,从而减轻感知混淆.[18]
在我先前对行走助力机构总体设计方案的描述中,特别提到了传感器冗余问题.既是说,对于同一个状态参量,可以由不同的途径得到.对于一些重要的参数,如平衡控制的相关参数,可以比较几个途径得到的参数,再参考原有的数据包括\"经验控制\"参数,就能够判断出哪一个数据出错,从而得到较正确的数据.传感器冗余,是解决传感不确定性的最好办法.
但是,传感器冗余机制,有时候也会带来问题.特别是响应时间,很多时候装置需要很快的响应速度.如果不能跟上所需要的响应速度,信号可靠性判断就不能发挥应有的作用.还有就是当程序不能判断究竟哪一个数据才是可靠的时候,传感器冗余便很无奈了.解决的方法除了使用更快的处理器以及信号总线外,更好的程序算法,以及更多的经验数据是很重要的.
5.3 燃料电池技术
作为助力机构的动力源的燃料电池,现在还是一种发展中的新型能源.其最主要的优点是热效率高和污染极低甚至达到零污染.燃料电池将化学能转变为电能,到达驱动装置后综合效率约为34%,而传统的发动机将化学能转变为机械能,到达驱动装置后的综合效率仅为12%左右,这意味着燃料电池比一般的发动机更加节能.
按电解质类型不同分,燃料电池主要分为5种:碱性燃料电池(AFC),磷酸燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),固体氧化物燃料电池(SOFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC).它们的操作温度在25℃到1000℃之间,响应时间也在3分钟到10个h之间不等,而比功率则在15W/kg到1000W/kg之间不等,当然成本价格也有很大的差异.
质子交换膜燃料电池(PEMFC)所具备的特性如能量密度,操作温度,耐二氧化碳能力以及耐振动冲击能力等,最适合用作移动设备的动力电源.质子交换膜燃料电池电池以铂(Pt)为电极催化剂,纯氢为燃料,空气或氧气为氧化剂.它的最大特点是可以在室温条件下启动,电池寿命长(10年以上),相比其他类型的燃料电池能量输出效率高.电池工作时,纯氢在阳极发生氧化反应,并向外电路放出电子;氧化剂在阴极处从外电路获得电子,发生还原反应;电子通过外电路由阳极流向阴极,从而产生电流,完成由化学能向电能的直接转化过程.现在,这种电池的性能很好,质量比功率为700W/kg,体积比功率为1000W/L.
目前,移动用燃料电池需要解决的关键问题是如何提高燃料电池单位质量和体积,电流密度及功率,以及提高某些设备必需的快速起动和动力响应能力.现在其所能达到的能量密度水平,还不足以满足12h的机动能力.此外,为保证安全性能致使制造工艺复杂,成本偏高也是阻碍燃料电池大规模使用的主要因素.如今电池能量不成问题,但存在技术问题,如何用最佳方法取出能量,还需大力提高燃料电池的性价比.
可携式氢-空气燃料电池已完成第一代商用产品的开发.美国AnalytiPower公司开发氨动力燃料电池FC150,电压为24V,功率为15W,总能量为2360wh.H-Power公司生产30W,35W,40W,50W质子交换膜燃料电池系列电源,例如50WPEMFC可作为军用电池取代军方广泛应用的一次性电池BA5590Li/SO2电池.Ball/Ballard公司生产25W质子交换膜燃料电池,成功用于温度为0℃～50℃,湿度为0%～95%环境下,2500m高登山无线电发射电源.FrauniseISE公司开发蜂窝电话用的燃料电池.质子交换膜燃料电池的体积小,功率的大小可视应用而定,使用方便,已开发出从几十瓦到千瓦级的PEMFC移动电源.
我们国家燃料电池的研究水平与先进国家的差距不大,只是还没有商业化的产品面世.相信如果有军用设备的研发为背景,这方面的技术很快会有大的突破.
5.4 轻量化结构材料
行走助力机构的轻量化要求,及其抗冲击强度要求,都使我不得不将其主要制造材料,放在新型轻量化结构材料上.
所谓的轻量化材料,主要指轻金属合金,树脂基纤维增强复合材料,陶瓷基复合材料等.其中陶瓷基复合材料主要是用在需要耐高温的结构环境中,常用场合往往显得成本太高.而轻金属合金,环氧树脂纤维增强复合材料已经广泛应用在航空器具中.
环氧树脂纤维增强复合材料,具有高比强度和比刚度,可设计性强,抗疲劳断裂性能好,耐腐蚀,结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体加工成形,利于复杂外形构件的制造的独特优点.其主要的用途是制造特殊场合的外蒙皮.
镁,钛,铝等金属的密度小,分别为1.7g/cm3,4.5g/cm3和2.7g/cm3,通常被称为轻金属,其相应的镁合金,钛合金,铝合金则称为轻合金.特别是钛合金,其具有比强度高,耐蚀性好,耐热性高等特点.钛的比重仅为普通结构钢的56%,而强度与普通结构钢相当或更高,在金属结构材料中,钛的比强度是最高的.因此,钛是一种极有前途的机构金属.
针对行走助力机构,我考虑外骨骼应该使用钛合金,电机外壳这些非承载结构应使用环氧树脂复合材料.从而最大限度的减少结构重量.但是具体使用哪一种钛合金,采用什么样得工艺流程,具体机构设定等,还是需要深入研究得课题.
结 论
为应对未来战争挑战,以我军实际战术要求为前提,提出行走助力装置.为特殊条件下需要应对身体极限的士兵,满足其长距离负重徒步机动需求而设计的行走助力机构,是一种在人的下肢外部,使用随动机械结构产生动力,为使用者提供额外的负重能力并提高其下肢肌肉的力量及耐力的装置.
其包括背负系统,下肢外骨骼,驱动电机,移动电源,传感器及控制系统.能够在不明显影响士兵动作灵活性,行动隐蔽性的前提下,对士兵的行走动作做出动力辅助,从而减小士兵的身体运动负荷,降低体能消耗,保持最佳的身体状态.
详细分析了国际局势对于我国军队建设的影响,预测的未来一段时间我军轻步兵的战斗模式,从而从需求上提出行走助力机构对于提高士兵战斗力的作用.进而分析了人类行走特点,从理论上提出了助力机构对人类负重行走的帮助方法.综合这些分析,提出了行走助力机构的确切概念,明确了需求前提下的总体设计目标,并从结构,控制的角度,规划了行走助力机构的设计方案,以及此设计方案实施过程中可能遇到的问题.
当然,虽然提出了设计目标,但这是从工程人员的角度提出的,没有经过使用者意见反馈,具体的参数只是来源于公开出版物,难免会有所偏颇.总体设计方案没有涉及到具体的机构,电器,控制程序等,只是一个方向性的指导.
另外要完成行走助力机构的设计,需要更深入的研究人类的行走,我在这方面的涉及,只是一个开始.对于动作控制行走助力这样需要人机交互的智能机械的模糊控制研究,还是一个未及深入的方向.事实上,这对行走助力机构能否达到使用要求,具有决定性的作用.
致 谢
随着本文的完成,我在南京理工大学四年的学习生活也要结束了.在此,我首先向四年里教导我,帮助我,关心我的老师们表示衷心的感谢.感谢他们在学习上,生活上,思想上对于我孜孜不倦的教诲.老师们渊博的知识,严谨的学风,创新的精神,宽厚的品格令我受益匪浅.
感谢我的知道老师王晓鸣老师及专业负责老师刘荣忠老师,他们认真负责的工作态度,深厚的理论知识,丰富的实践经验让我在毕业设计中的收获很多,能力上有了提高,对今后的学习生活有很深刻的指导价值.另外,我感谢李文彬老师给予我的帮助,使我克服了许多迷惑,找到了方向.
最后,感谢母校给我提供了良好的学习环境.并对所有帮助过我,关心过我的人表示深深的敬意.
参 考 文 献
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8 马江彬.人机工程学及其应用.机械工业出版社.1993-12
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18 Nils J. Nilsson.Learning Strategies for Mid-Level Robot Control: Some Preliminary Considerations and Experiments.Stanford: Robotics Laboratory ,2000-5
使用者动作
传感器
动作感知
控制器运动参数计算
助动电机
动力输出
中央控制电脑
数 据 总 线
助动力电机
身体<B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>
重心加速度传感器
脚底压力测定单元
环境参数传感器
装置状态传感器
人体生理状态传感器
·上一篇：1下列关于报关单中提运单号一栏的填报叙述错误的是(南京理工大学 机械工程学院01级 机械设计制造及其自动化 曾志腾
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1 绪论
士兵不能空着手进入战场,所以士兵肩上必然有负重.正是一个心理生理都处于良好状况的士兵,使用其所负担的各种装备,才构成一个完整的单兵作战系统.越来越复杂的现代战争,使得作战不只是\"勇敢有力的士兵,拿着步枪往前冲\"这么简单的模式了.所以单兵装备也越来越丰富,越来越复杂,不可避免的,也越来越重.
1.1 常见的负重帮助装置
为了使士兵在负重的状态下,能够保持较好的生理状态,长久以来,各国都投入了大量精力在单兵背负机构上,研制更符合人体工程学原理的负重装置.于是各种各样的单兵携行具便应运而生.
单兵携行具是指单个战士携行装备物资所采用的工具.一套好的携行具能大大减少士兵的体力消耗,提高其作战效能和徒步作战能力.
美军研制和使用单兵野战携行装备起步较早,第二次世界大战前,美军就有了制式携行具.随着科学技术的进步和武器装备的发展,美军先后对单兵携行具进行了多次改进.主要品种有M—1945式,M—1956式,M—1972式,XM80式单兵携行具,单兵综合战斗系统及新世纪单兵携行系统等.
英军先后研制和装备了多种单兵携行具,如英军1958式单兵携行具也是肩腰吊带式结构,与美军M-1956式相比,有相似之处,也有较大差别,优于美军的是背囊空间,携行量大,但不如美军的机动灵活.英军曾装备的1980式单兵携行具,吸收了1958式和1972式两种携行具的优点,由质轻牢固的尼龙制作,扩大背囊空间,增加战斗携行具和野战背囊的相容性和舒适性.英军目前装备的单兵携行具是1990式,它是一种新型携行背心式样,特点是负荷分部均匀,携行舒适,离合快速.
我国的单兵携行具起步较晚,对越自卫反击的时候,士兵还停留在分件单挂的状态.负荷分配不合理不说,打包还极困难,可靠性也无法保证,使用更是极不方便.从80年代末期开始,我军也开始研制单兵携行具,91式单兵携行具从提出,研制到装备部队,只用了一年不到的水平.为了适应对台斗争的需要,我军近年来相继研制了新一代单兵携行具95步枪携行具系列.其中包括01单兵生活携行具(01温区背囊和01寒区背囊),01单兵战斗携行具(95步枪,89机枪,88狙击步枪手战术背心和配套的作训包).至此,我国单兵携行具的装备水平基本达到了发达国家的普遍水准.
单兵携行具的却可以使得士兵的背负重量在身体上分部更合理,提高士兵在标准负荷下的活动能力.但是,所有的动力负荷都由士兵的身体提供,而人体的负荷毕竟是有限的,单兵携行具只能使体力的使用更合理,不能达到真正意义上的助力.
1.2 行走助力机构的发展现状
我们是不是能构想这样一种单兵携行系统,能够帮助士兵负重,提供士兵大部分行走动力,从而使士兵能把体力从行军中最大限度的节省就下来,以更充分的体力投入战斗.所以我提出这样一个\"行走助力机构\".使用行走助力机构的目的,就是帮助负重士兵,拥有更高的行动能力.
行走助力机构是一个行动助力机械,是一个它的作用应该更倾向于\"长腿的摩托车\"一样的行动机械,而不是\"机械腿\"这样的功能代用机械.所以,行走助力机构不但有简单的机械助力功能,更要帮助使用者维持行走的平衡.
行走助力机构不是简单的助力机械.现在的同步助力机械臂,已经能够精确的随同使用者的手臂动作,举起几百公斤重的物体.但是现在的仿生行走机械,仍然不能实现负重行走,甚至自身的行走都不能很协调.因为行走是一个整体的移动过程,双足的特性决定了这个过程的移动速度是非线性的.比之有固定端的手臂助力,多了移动平衡问题.所以,随同行走助力机构是比随同助力机械臂更复杂的仿生机械.
世界上最早提出机械行走助力机构需求的是美国陆军的\"未来战士\"计划.早在2000年,美国五角大楼下属机构\"尖端国防产品研究所\"就提出了\"行走助力服\"的概念,作为未来战士单兵作战系统的一部分,该装置\"可以使士兵在超标准负重的状态下,依旧行走如飞\".
加州伯克利大学霍曼约恩·卡泽罗尼博士领导的研究小组,从2000年开始已经获得 \"尖端国防产品研究所\"高达3500万美元资助,用于研究这样一种助力机构.这项名为Bleex(伯克利下肢外骨骼助力器)的高科技产品,已在2004年初面世.它由电动机和40多只传感器组成,重约50kg,会同步模拟穿着者的动作.使用者可以把人造的腿骨绑在自己的腿上,然后背上一个装有动力系统和控制系统的较大的背包.这个背包内还预留了一定的空间用来背负额外的负重.
它只是同步模拟穿着者的动作姿态,而不是让穿着者驾驭或是指挥这具机器.\"Bleex\"配备的电脑通过传感器随时感知穿着者的动作并分析其特点,然后驱动各部分与穿着者同步而行,就像影子跟着主人一样.
Bleex可以帮助人们多背负32kg的重量.这套负重系统除了对士兵行军很有帮助外,还可以使医护人员更轻松地把伤员搬离出事地点;也可以\"减轻\"消防人员背负装备的重量,攀爬楼梯时行走如飞;甚至可以帮助肌肉无力症的患者,重新获得行走的能力.尽管这套装备自身就重达50kg,但是使用者却不必担心它的重量,因为这套装备可以自己承担自己的重量.在控制系统的帮助下,它的重心始终和使用者的脚步保持一致.对使用者来说,背负着这些东西的感觉就如同只背负了2kg的东西一般,让你觉着十分轻松.
2004年下半年,Bleex的研究人员已开始尝试设计一种更加小巧的新型动力装置,新装置的能量估计要比原有的大两倍以上.如果有了那种新的动力装置,那么就可以背负接近60kg的重量了.
Bleex的最大高明之处在于使用人员不需要利用任何诸如操纵杆,键盘以及按钮之类的东西来操纵它.这样士兵们就可以解放出双手,完成其他的工作.这是因为这套装备的控制系统可以确保它和装备在使用者腿上的人造骨骼保持同步前进.卡泽罗尼博士对这套装置的形容就是:\"你要做的只是向前走,然后该装备就会和你同步前进.\"
目前Bleex是最接近实用的行走助力机械的工程模型.它的许多设计思想是十分领先的:采用同步行走模式,以人为主;下肢外附机械结构,负重不通过人体骨骼;动力系统和控制系统集成在背负系统的背包内.
但是Bleex还不是一个实用机械,它的体积过大,对使用者的动作有限制,致使应用环境受到限制.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.
1.3 本课题的研究内容
行走助力机构是一个前沿的仿生机械学课题,涉及的技术领域相当广泛,有机械,控制,计算机,传感器,运动生物学等等.我的研究将在对行走助力机构的需求,从宏观到微观的角度,做出充分的分析后,提出完整的实用性概念.并从实用的角度,规划一个总体的设计方案,提出研究思路.包括总体的功能要求,各个系统的功能划分,以及各个系统需要达到的技术指标等.在分析整体系统的过程中,发现技术难点,尝试提出解决方案.
我所面临的困难,包括提出一种建立在有效控制体系之下的实用动力输出模式.使得人体负荷最小的情况下,能实现人体动作对助力机构动力输出的直接控制,且要求助力机构不影响人动作的平衡性,协调性,灵活性.
2 行走助力机构需求分析
2.1 未来战争中步兵作用的探讨
2.1.1 近代步兵战略的变迁与发展
上个世纪60年代,由于现代武器和科学技术的发展,美军和一些发达国家军队曾经一度全力发展重型机械化师,把徒步作战的步兵减少到了5%.但是经过几次战争后,美军发现,重型机械化师并不是万能的——毕竟有很多地形和作战状况,重型机械化步兵是很不好用的,比如丛林(例如60年代后期的越南战争),城市(现今在伊拉克).要实现完全的占领,以及对残敌的清剿,就必须使用徒步步兵.所以70年代以后,美军吸取了教训,注重加强轻型步兵师的建设,把徒步步兵的人数扩大到了40%以上.同时期的苏联军队及各个军事强国,也呈现了近似的变化.(不包括我国,我国一直就是以轻步兵为主,实现步兵的摩托化,机械化的装甲步兵一直就不是主流)
2.1.2 世界格局对战争形态的影响
冷战结束以后,大国,强国之间的爆发全面战争的可能性已经越来越小.而地区级的中小规模冲突(近期的车臣战争,阿富汗战争),惑是强国于弱国间的不对称冲突(典型的如近期的伊拉克战争)将成为一段时间的主流.
冷战时期,大国,强国(包括其同盟,附属国或保护国之间)之间的冲突,双方的力量是相对均衡的.双方都有能够彻底摧毁对方的最终武器(核武器),用以维持战略上的恐怖平衡,使得谁都不愿意冒着完全毁灭的危险,率先发动全面战争的.即使抛开核武器,冷战的两个阵营,除了在战略上相互克制.就是在具体的装备,战术,作战实现上也是针锋相对的——一方出现了某种新武器,另一方就必然会有相应的武器与之对抗;一方在某次战斗中使用了某种新的战术,另一方也就马上研究新的应对方法.
总之,双方在冷战的过程中,只有各自支持的同盟国或附属国之间有出现地区级的冲突,而双方没有直接的有过明显的战斗.(例如四次中东战争).
相对的,冷战时期两方直接参加的两次战争(美国入侵的越南战争,苏联入侵阿富汗),都因为战略与战术装备不配套,造成自己深陷战争泥潭.直接或者间接的导致自己在战略对抗中,变成劣势的一方.从步兵的角度说,用于与对方在欧洲平原的机械化装甲部队对抗的武器装备及战术打法,与对方的游击队在原始森林,沙漠荒原中对抗,显然没有占到什么便宜.即使他们可以随时呼叫远程炮火,可以随时招来空中支援,仍然不能在直接的全面进攻中,完全打垮敌人的抵抗力量.所以才有了美苏军队,在这一时期,大幅提过步兵中,轻步兵比例的举动.
但是,当冷战结束,世界只剩下唯一的一个超级大国.没有制约的强大力量开始对不屈服于其力量的弱小国家下手,失去力量平衡的地区开始出现动荡……
地区冲突典型如巴尔干半岛的波黑战争,而强国对弱国的战争随着美国这个\"世界警察\"的蛮横,更是不用我多说.抛开局部的低强度的地区冲突,这一时期的战争呈现力量非对称的形态,两次伊拉克战争,科索沃战争就是这类冲突的典型.
极端民族主义,极端宗教势力在这样的世界格局下,开始成为恐怖主义力量,威胁世界安全.于是,为了维护世界安全,我们经常看到全世界的警察,军人跟少数的恐怖分子周旋.极端的\"大炮大蚊子\".
2.1.3 未来战争中步兵战术的预测
冷战结束后,各国新军事战略开始高度重视战略机动性.美军为例:他的C-5战略运输机队,可以在72小时内,将第82空降师的全部人员装备,投送到世界任何角落.一周内,可以让第3机械化步兵师的步兵战车协同M1A2主战坦克,在敌人的国土上推进……
即使不是世界警察,要求满世界跑,各强国也都在许可范围内,保持成建制的陆战快速反应部队,以求对突发的冲突事件,做出最快最直接的反应,将影响或是损失,控制在可能的最小范围内.
提高战略机动性,以及打击对象打击手段的转变,迫使各国在有限的经济条件下,陆军普遍走上精兵之路.相对少量的高素质专业化部队,配备先进的武器装备,实现战略机动作战任务;大量的一般部队,则作为后续的跟进部队或战略补充,实现防御或状态维持任务.
未来的多兵种协同作战,更使得战场不再是过去的火力密集地,更多的将是信息密集.C4I系统(例如C4ISR,就是美国开发的一个通讯系统,是指挥,控制,通讯,计算,情报,监督,侦查还有对抗集为一体的系统),甚至C5I,C6I系统,将成为指挥以及作战的基础.
2.2 未来我军步兵的发展要求
2.2.1 我军传统的步兵作战模式
一直以来,我军都不是以绝对火力见长的.机动能力,一直是我军战斗力的核心.以机动能力获得局部的兵力及火力优势,是我军战术的精髓.不论是在朝鲜战场上,整个兵团的士兵用双脚跟汽车轮子比速度,还是在对印自卫还击中大胆的向战略纵深穿插,以及对越自卫还击中的连级作战单位的迂回包夹,无不体现了我军擅长机动作战的特色.典型的步兵作战模式,就是隐蔽机动,阻击,包围,追击.而这期间的机动,基本就是徒步行军.
当然,我军擅长机动作战,是由历史的客观条件决定的.从红军成立开始,直到抗美援朝,我军根本上就没有摆脱装备劣势的局面.长期的在没有充足的重武器支援,没有制空权的条件下作战,使得我军不得不采用运动战.敢于近战,敢于夜战,体现的是我军战士的勇敢,同时也是处在装备劣势的一种悲哀.
一个时期的准备抵抗帝国主义全面侵略为前提的陆军作战思维,使得我们长期停留在人民战争的框框里,无可奈何.陆军装备水平没有根本性的提高.
直到70年代末80年代初的对越自卫反击战,才使我军的陆军作战思想有了根本的转变.战后的百万大裁军,裁的大部分就是陆军,而且大部分就是低水平的轻步兵.
在对越自卫反击战初期的我军,相对于经过十几年越南战争洗礼的越南军队,除了兵力上的优势,在装备水平,训练水平上,都没有优势.而且初战10天,近3万人的伤亡,就不能不说只是战术上的问题了.我军在热带丛林作战中,以连级作战单位为主的突击力量,在机动后常常失去联系,或是由于敌人的狙击,不能按时到达作战地点,甚至到达作战地点后已经严重损失,无力发起进攻……
我军已经不再是处于装备完全劣势的时代了:通讯问题,机动火力问题,单兵战斗力问题,甚至是战术思想的落后……在对越自卫反击战初期暴露无疑!
引用当时外电评论员的论述:\"两支穿草鞋的军队,在太空时代进行的一场摔跤比赛.\"
2.2.2 未来一个时期我国所面临的可能冲突
基于现阶段与我国的国力,对比周边陆路国家具有阶段性明显优势,在相当长的一段时间内,我们不必担心已有国土遭受侵略,所以我国的陆军不会有机会以传统的方式参加与直接的军事对抗.而现阶段我们主要面对的是东南临海一线的军事威,而主要的问题就是台湾问题.
如果事态真的发展到需要解放军进行登陆作战来解放台湾,那么对于地面部队的要求,就远比对越自卫反击的时候高很多了.
从更长远的发展看来,我国的陆地边界,既有一马平川的草原戈壁,更有复杂的山地.我们不但要有重机械化的装甲力量,也要有充足的山地作战能力.而现在最明显的陆地边界问题,就是在等待时机,\"解决\"世界屋脊脚边跟印度之间那条莫名其妙的:\"麦克马洪线\".而这之前,我们要明确的是:武力是和平的基础——要有在高原山地上跟印军一绝高下的能力.印度军队也不是60年代的草包了.
2.2.3 未来我军在冲突中的步兵战斗模式
中国是一个地域辽阔,地形地貌多种多样的大国,所潜在的作战地域地理环境差别甚大,因此必须据此对所处地域内的步兵部队进行有所侧重的适应性配备,其中大致可分为印度方向高原作战环境(兼顾缅,越热带丛林环境),台海丘陵水网稻田作战环境,西北戈壁草原作战环境三大类.
在解放台湾这样的战争中,步兵要实施的是空降,两栖登陆作战.是对战争结果有决定性作用的作战力量.之后的解放城市,肯定还要经过一定规模的巷战.
我军没有大规模空降作战的实际经验.说到两栖作战,50年前解放海南算是大规模登陆作战的成功经验.可是台湾海峡,不是琼洲海峡,宽的多,水文条件也复杂的多;台湾也不是海南,重要性不是一个等级,敌人的防守力量也不一样.而我军对于巷战的认识,估计还提留在解放战争的水平,或许都不适用了.
对印的高原山地作战,由于地形复杂,关键的是补给困难.我们可能还是不得不像60年代一样,以轻步兵作战为主.山地战的模式,跟对越自卫反击之中的丛林山地战又有很大的不同——步兵的机动,必须应付高海拔条件下巨大地形落差,以及植被稀少带来的隐蔽问题.
而所谓西北戈壁草原所面临的军事威胁,也随着冷战的结束,变的差不多可以忽略了.反倒是那里的极端民族及极端宗教势力,使得我们什么时候也要学者美国打阿富汗一样,来个反恐战争.只是随着信息化时代的来临,再说什么机械化兵团的大战,显得很落伍了.
新的战争模式,应该是指针对恐怖分子的特种作战.我军向来注重特种部队的建设.我军的特种部队不但训练水平一流,而且继承了我军敢于近战的优良传统,拥有一套独树一帜的战术手段.虽然我们不敢说我军的特种部队装备水平低,可是谁也不介意如虎添翼吧
2.3 行走助力的需求探讨
2.3.1 单兵负荷问题研究
2.3.1.1 单兵负荷及其组成
单兵负荷分为作战负荷和行军负荷.主要包括武器负荷,生活负荷,单兵军需装备负荷.单兵军需装备是提高士兵战场生存能力的重要防护装备,是武器和其它装备的载体.
美军认为冬夏,温寒区士兵的标准作战负荷都不应超过18kg,行军负荷不超过25kg;实际并未达到此标准,步枪手温带作战负荷约18kg,干寒区为27kg;温带行军负荷约21kg,干寒区为41kg(旧标准,96年新标准有所减轻,但仍不理想).
前苏军认为标准负荷不得超过人体重量的1/3,苏军步枪手温带作战负荷约17kg,特寒区为24.7kg;温带行军负荷约23kg,特寒区为27.7kg.但苏军负荷较轻是以牺牲士兵舒适性,精简携行物品做到的.寒区无野战睡具(后勤人员提供帐篷和火炉).
日本自卫队认为士兵平均负荷应在15kg左右,其士兵温带作战负荷约20kg,寒区为22kg;温带行军负荷约34kg,寒区为41kg(旧标准,新标准有所减轻).[16]
我军单兵军需装备主要包括头盔,防弹背心,防护眼镜,作战服,作战鞋(靴),水壶,单兵携行具,雨衣等.对于我军的单兵负荷状况,我们可以通过对对越自卫反击的时候步兵的装备配置状况来分析:
一般在山地的一次进攻作战我们投入一个加强连的兵力负责提供火力准备的一般是师炮兵群(榴炮营)和团,营的迫击炮连,有时候军炮兵群也参与火力准备.
加强兵力一般为团无后坐力炮连的一个排(每排三个班,每班一门82无后坐力炮)和营机枪连的一个排(每排三班,每班一挺重机枪)有时候加强兵力还会有师防化连的一个喷火器班(每班3组,每组一具喷火器)步兵连下辖3个步兵排,一个火器排.某部4连参战人数:干部9人(6个正副排长,2个正副连长,1个指导员),战士116人.
连队拥有33支冲锋枪,37支半自动步枪,每个步兵排下辖3个班,每班两名机枪手,操纵一挺班用机枪,副射手携带弹药,并在战斗中正射手伤亡的时候操纵机枪继续射击,手榴弹256枚,携带步机枪弹11000发,另外还携带75kg炸药.
通信器材是4具步谈机,连长控制一部,3个步兵排排长各控制一部.
战前的和平年代火器排下辖3个40火箭筒班,在临战时改为2个40火箭筒班(每班3具发射器,每具发射器备弹8发),同时增加一个迫击炮班(两门炮,每门备弹30发).
单兵负荷(生活负荷都是相同的.挂包1,水壶1,背囊——内装雨衣1,绒衣1,饭碗1,口杯1,干粮1.7kg,弹带1条,手电筒1):防毒面具1具(有越军使用化学武器的战例).
步枪手25kg:半自动步枪1支,子弹200发,手榴弹5枚.
爆破手30kg:半自动步枪1支,子弹200发,手榴弹4枚,炸药5kg或1根爆破筒.
冲锋枪手25kg:冲锋枪1支,子弹300发,手榴弹4枚.
轻机枪射手29kg:轻机枪1挺,子弹400发,弹盒2个.
轻机枪副射手28kg:子弹600发,弹盒2个.
火箭筒射手25kg:火箭筒1,火箭弹3,背弹具1.
火箭筒副射手29kg:火箭弹5,背弹具1.
60炮炮长28kg:半自动步枪1,子弹200发,标杆2根,零件包1.
60炮1炮手28kg:60炮1门.
60炮2,3炮手28kg:60炮弹10发.
这是二十几年前的装备水平,当然我军现在的制式小口径枪族要轻一些,可是其他的轻武器并没有明显的发展的迹象.所以现在的装备重量,不见得比那个时候轻多少.
2.3.1.2 单兵负荷过重问题
研究了各国士兵的标准负重,在脱离了后方火力支援的运动中的突击作战是,为了保证突击火力,作战部队不得不要求士兵配给超出标准的武器装备,以致士兵负荷大大高于标准.如果在是山地或是丛林这样的复杂地形,加上要隐藏行踪,士兵的体力早在作战机动过程中就消耗的差不多了,常常不能保证在最后的战斗过程中,体能处于良好的身体状况,更不要提持续作战的能力.
以空降作战来说,空降部队在作战中有很多难以克服的弱点:
降落点分散,难以成建制地投入战斗;
兵力不能一次到位,留下易受攻击之窗;
一旦降到地面,机动能力有限;
重型装备少,反装甲能力弱;
缺乏远程无线电台,通信能力差;
单兵负荷重,持续作战能力差.
其中(3),(5),(6)几条,都直接受到单兵负荷的影响.空降兵一到地上就要投入战斗,并且没有后勤支援,所以它必须携带作战所需要的一切东西.这样一来,所有空降兵的一个共同感觉就是:带的东西太多,背上的负荷太重.士兵负载太重,体力消耗过大过快,这无疑会降低整个部队的持续作战能力,使己方作战能力过快地达到顶点.另一方面,尽管单兵负荷已经太重,但人力携带的武器装备毕竟是有限的.如果不能及时得到后勤支援,空降兵的作战能力将难以为继.
以著名的美国第82空降师为例,单兵负荷而是它一直想解决似乎又无法解决的老问题.在第二次世界大战中,第82空降师的士兵每人携带1支装满子弹的M-1步枪或卡宾枪,156发子弹,1支手枪及3匣子弹,1把多用途两刃短刀,1把小铁锹,1个装满水的水壶,1个急救包,几枚手榴弹,K类给养和雨衣.军官和军士长还要携带装满地图的公文包.40多年后,空降兵的负荷有增无减.在入侵格林纳达时,第82空降师的士兵由于负荷太重,行动缓慢,再加上天气炎热,很快就累得精疲力竭,根本不能一鼓作气地爬上小山顶.负载最重的电台报务员和\"尾刺\"导弹小组成员,每人负载达110磅,根本无法跟上部队.在入侵巴拿马和海湾战争中,第82空降师的士兵仍然被沉重的帆布背囊,装满枪弹的子弹袭,反坦克火箭筒等武器装备压得直不起腰来.因此美军自己也承认,第82空降师持续作战能力差的弱点在现阶段是难以得到彻底克服的.
2.3.2 未来我军步兵作战所需要面对的负荷问题
我国有着世界上最高最大的山地高原——青藏高原,更不要说我们国家五分之三的国土是山地,而山地作战与平原作战有着很大的区别,一般以3000m为界,划分为低山区和高原山区.山地作战有5个特点:
部队行动不便.山势陡峭,空气稀薄,部队机动速度大大降低,坦克,火炮等重武器行动困难.
人体功能降低.高原山区人员会出现呼吸困难,头晕目眩,全身无力,心脏功能降低等症状,影响战斗力的发挥.
后勤补给困难.山地人烟稀少,物产缺乏,道路崎岖,交通不便,气候无常,给给养,作战物资运输带来困难.
,武器故障率多.高原气候严寒,武器易于损坏,自动武器不易连发,降低了武器装备的效能.
通信联络不便.高原山区作战,受地形影响,通信设备很难保证畅通无阻.
人在这样的作战环境中,体能是需要优先保证的.所以如何在山地作战条件下,解决单兵负荷问题,减少士兵的体能消耗,是我们必须要努力解决的问题.
广阔的国土,在这样一个精兵的年代,也需要强大的快速反应部队,比如机降部队.更不要说我军现在面临的台湾问题.解决台湾问题,机降部队的使用是一个不能回避的问题.
无论是山地战部队,还是机降部队,单兵负荷问题都是制约其战斗力提高的一个瓶颈.单项装备的重量可以随着装备的发展越来越轻,可是我们可以看倒的是,战争的科技含量越来越高,我们士兵的装备种类也越来越多,战斗力提高的同时,负重却不见减少.所以解决单兵负荷过重的问题,是提高快速机动部队战斗力的直接手段.
2.4 行走助力机构的需求的提出
2.4.1 关于行走助力机构最早的构想及其提出背景
美国陆军曾经有一个\"未来战士\"计划,其中有一个肌肉助力子系统的研究.这个系统通过一个附在士兵下肢的金属骨架,帮助分担身体的重力负担.并且通过金属骨架上的动力机构,提供人体运动的部分负荷输出.使得士兵即使背负60kg的战斗负荷行动,也只有6kg重量在身一样.从而使得士兵的体力,最大程度的应用到战斗行动中.
其实美军半个多世纪以来在军事变革中总是处于先行的位置,所以当世界各国还处在对机械化的不懈追求的时候,美军已经实现了信息化.现今唯一的超级大国,总是要使其军事装备的整体水平,比之任何的对手,至少有一代的优势,从而使用比对手先进的作战思想达到战争目的.所以美国陆军才会在90年代中期,提出这个\"未来战士\"计划,其用意就是使其所谓先进的作战思想,拥有与之相配套的新概念装备.
但是,美国今天以及可以预见的未来的一段时间内,战略的重点不是地面战争,至少不是传统的接触式的地面战争.从近期的阿富汗反恐,以及对伊拉克的彻底占领来看,其最新的地面战模式,是建立在信息绝对优势的基础上.通俗的说就是:我看的到你,你看不到我.我看到你不直接开枪打你,而是呼唤远程火力或者空中火力对你进行杀伤.美国军队的地面作战,已经基本脱离单纯的接触杀伤的阶段,其能力,已经不能用传统的标准来衡量,即使用传统的标准来衡量,美军也是最强大的,至少从装备及总体的作战系统上说.
并不是所有的作战情况都是需要士兵徒步机动的.正常的状况,使用卡车,装甲运兵车,步兵战车都是现成有效的手段.甚至美军是世界上唯一一个进行过大规模直升机机降作战的国家.直升机的垂直机动能力,使得山地,沼泽这样的环境根本不是机动的障碍.所以,美军当时提出行走助力系统的概念,不是当作一个孤立的系统,而是由于美军在特殊作战环境下,为了保持整个作战系统的战斗力,不得不解决的\"最短的木板\".
而我们发现,美军也在调整这个单兵负重助力系统的设计要求,以适应其国家战略,和步兵战术的变革.现在这个项目,也只是处于工程研究的阶段.
2.4.2 行走助力机构比之其他机动手段的特点
从上面的分析看,行走助力机构并不是帮助士兵负重机动的唯一手段.甚至由于作用的单一性,其费效比是值得商榷的.但是,作为单兵装备的一种,显然,行走助力机构的灵活性更高,隐蔽性容易通过传统的方式得到保证,作战训练及使用思路跟传统的体系装备具有更高的继承性.
在通常的平原条件下,选择汽车,装甲运兵车,甚至步兵战车,有相应的战术要求.选择汽车机动的是摩托化步兵,选择装甲车辆机动的就是机械化步兵,用步兵战车协同作战的更是重型机械化步兵.后者显然有更强的攻坚能力,执行的是不同的作战任务.不是不得已,谁也不愿意用轻步兵跟对手的重装地面部队对抗.所以我们说到比较,应该限制在特殊状况轻步兵的机动能力讨论上.
当然用汽车机动是有道路条件下不能放弃的机动方式,而很多轻步兵必须脱离汽车的环境,行走助力机构就有了其发挥作用的空间.而对于山地步兵,山地的环境可能完全限制了车辆的使用,于是行走助力机构就是主角了.
不可否认,在拥有制空权,以及相对信息优势的时候,直升机是山地作战最好的机动方式,可是对于没有制空权,信息上处于劣势的一方,徒步的机动方式是唯一的选择.这种时候,行走助力机构就凸现了其重要性!
再说到伞降作战,伞兵如果有了行走助力机构的帮助,至少可以克服单兵负重问题——多带一些装备也不要紧:可以有更大型的电台,获得更强的通信能力;带更多的弹药补给,保证相对的更长时间的作战持续性;带的多,但是还走的了,保证足够的地面机动能力.除了伞降分部不能解决,其他的问题在解决了负重机动问题后,都可以有相对的改进.而这些改进对于伞兵的作战是相当有帮助的,从某种程度来说,战斗力的提高将是显著的.
2.4.3行走助力机构对我军的实际意义
首先,在我国的现在的经济状况,大量配备直升机,还显得不是很实际.我国广阔的国土,伞降部队作为快速反应部队是很重要的,提高其战斗力是必须的.从这两个方面说,行走助力机构,就有其发展的意义.诚然,初期的产品,也是奢侈品.
可是我国的国情跟美国毕竟不一样.我们并没有完全占据战场信息优势的能力;空军的实力,也不足够在任何情况下都保证绝对的制空权.而且解放军长久以来就有其相对独特的作战模式,隐蔽徒步机动就是我们比之任何国家的军队都使用的多的战术.长久以来我们的军事思想,很重要的就是扬长避短:我们善于隐蔽快速的徒步机动战术,为什么不发扬光大呢 有了行走助力机构,显著提高徒步机动能力,不正是我们长久以来希望的吗 所以,从继承传统战术思想的角度说,发展行走助力机构是必要的.
即使行走助力机构一开始是个奢侈品,小规模的特种使用也可以发挥很大的作用.比如深入敌后的侦察人员,他们背负大量的给养装备,长时间在敌后活动,那么这时候行走助力机构,就能够很好的帮助他们达成机动目的,节省他们的体力,保证长时间执行任务时的身体状况.
当然,当行走助力机构发展到一定程度的时候——更便宜,使用更方便,维护更容易等,所有的步兵都可以装备.那个士兵都希望自己的行动灵活一点,体力消耗少一点,毕竟行动灵活,体力充沛的士兵,拥有更强大的战斗力.
2.5 行走助力机构功能需求的初步提出
从以上的需求分析中,我们可以提出行走助力机构的基本功能要求:
帮助负重行走,提供负重的运动负荷.
足够的行动灵活度,不过多影响士兵的战术动作.
满足持续作战要求,自身要有足够的自持能力.
足够轻的重量,结构足够紧凑.
3 行走助力原理研究
3.1 人类行走研究
3.1.1 行走(Walking)
3.1.1.1 行走的概念
可把行走功能的基本概念归纳如下: 处于地球引力环境中,人类的直立行走是长期进化的结果.一个人的直立行走是在意念(Idea)支配下,经过日常生活训练(学步),养成了适合自身的习惯,建立了固定的神经通路,由此调节有关肌群协同收缩/舒张,带动双腿交替迈步(Swing)/站立(Stance),借助地面反应力(Ground Reaction Force),推动人体不断移动(Locomotion)的一种整体性运动.由此可见,人体的直立行走牵涉到个人的意念; 众多的神经,肌肉,骨骼和关节等复杂的因素.我们说行走是一个复杂的肌肉骨骼运动及神经调节过程.
行走的分类:连续行走——通常行走速度较快时,人的下肢运动是连续过程,没有明显的停顿,速度起伏小;间断行走——通常行走速度较慢时,人的下肢运动是明显的分解动作,速度变化明显,甚至有停顿.连续行走,肌肉能量消耗在行走速度的维持上的比例高,而间断行走时,肌肉能量消耗在维持平衡上的比例较高.
行走不是单纯的下肢运动.
3.1.1.2 行走的基本过程
简单的说,只要人体任何一个部分有相对的移动动作——无论主动的,被动的,实际的,还是仅仅是一个动作的思维准备,人的运动器官就要有相对的动作,而动作的对象,不仅仅是运动的那一部分.
人的运动过程,可以看作是一个闭环控制的过程:有大脑为启动执行过程输入给运动器官的预执行参数,有执行动作过程中控制肌肉动作的神经信号,有感觉器官提供的调节执行误差的反馈信号,还有大脑最终的目的达成判断.
人的运动器官,是一个大脑思维控制的目的达成器!大脑为运动器官输入目标的参数,执行过程提供从感觉器官接收的信息做出的误差判断,执行结束后,大脑还进行目的是否达到的效果判断.
所以即使只是普通的行走,也是不简单的:
从分析简单的平面直线连续行走开始:在一个水平的地面上,人从一个位置,向前直线移动到另一个位置.
首先是大脑做出移动的决定,接着控制人体平衡的器官,使人体的平衡向着意愿的方向失去,为了维持平衡,人的运动器官要做出动作,以维持人体重心的位置,于是人的某一足,以最自然及习惯的方式,向失去重心的方向迈出.大脑在接收到已迈出足的位置信号后,以\"走\"为目的,调节迈出足的迈出速度及其着地位置.因为有了初始改变重心带来的重心水平移动速度,所以此时神经调节平衡的目的是维持已有速度的状态.而所有的加速,减速,甚至是停止动作,都是有神经控制肌肉对施力过程进行调节的结果.加速不过是在迈出时,着地足施加额外的水平力,使人体重心产生加速度,同时迈出足改变迈出幅度,或是调节迈出频率.减速就相反,由迈出足着地时候,使用肌肉产生使重心减速的水平力,并且调节重心足的跟进速度,是重心在双足之间的交替速率减慢.停止的过程与启动相似,最后一步的迈出就要计算迈出步幅,控制重心减速,双足着地后,以一个稳定内力矩,重新获得相对静止平衡.
当然,实际的行走过程远没有这么平顺,重心速度是始终波动的,自然重心也不是始终都处在平衡状态的.人的重心随着双足的交替施力,不但在水平方向有移动,在垂直方向上也是有起伏的.
自然的,重心在垂直方向上的起伏,以及水平方向上移动速度的变换,从能量消耗的角度说,做的都是无用功.也就是说,一个人神经协调能力的强弱,从一定条件上决定了他的肌肉耐力.说一个人运动器官的发达,不仅仅是他的肌肉发达,更多的是说他有运动神经.就是说在多数情况下,神经系统如何指挥肌肉用力,比肌肉本身的能力来的重要.就比如说,专业运动员,都有所谓的标准动作,要求按照这个标准动作完成运动目标,可以使运动效果最大化:游泳有标准泳姿,按照这个姿势规范,可以让人游的又快又轻松.这就是为什么现今所出现的仿人形机械,要耗费比人多十倍以上的做功,来完成相同的动作.而且显得动作笨拙,不协调.
人的肢体本身就是一个多自由度的运动系统,完成同一动作,可以有几乎无数种的实现方式.对健全人来说,一个人有一个人的走法.世界上没有两个人共有一种雷同的行走方式——就算刻意,也没有人可以重复完成同一动作,且两次的动作过程或结果完全一样,更何况是别人的动作.行走和其他生命现象一样显现出多样性并普遍存在着\"个体差异\"(Individual Difference).
3.1.2 步态(Gait)
人体行走的\"方式\"(Manner)和\"风格\"(Style)称之谓\"步态\".也就是说,步态是人体行走功能的外在表现.笼统地讲,步态反映出一个人的身体素质和精神状态.具体讲,步态是人体结构和功能,运动调节系统,行为及心理活动在行走时的综合外在表现.四肢,躯干,调节系统或某些全身性疾病,都能影响一个人的步态.甚至,垂头丧气,志高气扬等精神状态也可从步态中表现出来.
3.1.2.1 步态分析(Gait Analysis) [7]
步态分析是人体运动分析的一个方面.它是利用力学原理及处理问题的手段,已经掌握的人体解剖学及生理学等结构和功能方面的知识,对人体行走时的行为方式及功能状态,进行对比分析,从而提取出与行走有关的生命活动信息的这样一种整体生物力学的研究方法.它是行走生物力学测量,分析,评价的专门技术.像其他的信息提取方法一样,由于处理问题的原理及技术手段不同,步态分析也可分为初级,中级和高级三种不同的技术层次.
(1). 初级步态分析
这一层次的步态分析,又称为\"直接观察形象描述归类分析评价法\".由肉眼观察,靠观察者的记忆,不断积累人类行走的各种形象,进行归类并推测出异常步态的原因.
在使用这种\"步态\"分析法时,即使有经验的专家也会遇到一些困难.因为肉眼观察总带有一定主观性,且不能定量,仅根据个人所见的形象描述,故得出的评价结论不太客观.
(2) 中级步态分析法
对待测者的行走过程进行直接测量,并以一些适当方式表达出测量的数据.对所测数据变化进行简单分析, 得出客观而较量化的评价结果,亦称 为\"直观测量简单分析评价法\".这种方法所得出的参数,多以\"时空\"(Temporospatial)慢变化中的空间特征痕迹的\"时间—距离因素\"为主.如表示行走特征的\"步态周期\",步幅,步长,行走速度,步宽和用电位器方法测出的关节角度…….比如用秒表,m尺并选择一条长5m,宽1m的平地,上面铺上沙子或白灰,让被试者在其上行走,就可测出步幅,周期,步速,步宽等参数.经统计对比分析,就可做出行走功能的简单定量评价.
(3). 现代步态分析法
当前最高层次的步态分析是行走的生物力学分析综合定量评价法.这种方法采用了现代光学及电子学技术,测量出同行走有关原始数据,利用计算机通过生物力学模型对测得的原始数据进行综合处理,而得出一些尚不能直接测量的数据.如行走中人体重心位移,各关节活动的力矩,功率及整体能量消耗等随时间变化的参数,据此做出全面,综合的客观评价.
3.1.2.2 现代步态分析系统的构成与操作
现代步态分析系统由四个部分组成.一是处于同一空间,分布在不同位置的一组电视摄像机和粘贴在待测部位的光学标记点; 二是测量行走时地面反应力的力台(Force Plate); 三是测量有关肌肉活动情况的肌电图仪(EMG); 四是调控以上三部分装置同步运行并对其测量数据进行分析处理的计算机及其外围设备.
应该特别指出的是,每台摄像机测出的仅是二维标记点的空间移动位置,所以要用一组摄像机进行三维重建.然而这些摄像机记录的光点形状相同,计算机不能识别该点到底是人体的哪一个特定位置,就需要操作人员根据摄像机的位置,人体结构及行走动作,对这些光点进行辨识和分类.
大致的操作步骤: 在人体测试之前,先根据实验需要确定各摄像机的位置,并对既定的位置建立相应的空间坐标系; 第二步是实际测试采样; 第三步是光点归类(Sorting); 第四步是根据所搜集到的原始数据.利用数字模型进行分析处理并显示打印分析,评价结果.
3.1.3 行走功能的进一步分析和评价[7]
一般步态分析系统,通常给出行走中的步态棍图,一个步态周期下肢三个关节角度变化曲线,站立相三维地面反应力变化曲线及行走中肌电变化包络线.以此为基础,研究者还可进一步分析,得出自己有用的结果.
3.1.3.1 行走关节矩和功率的分析
为了对行走生物力学机制进行深入探讨,廖金声,刘永斌等(1992)在Vicon系统上开发了一套力—位综合分析软件.在这套软件中,采用了人体矢状面(Sagittal Plane)七节段模型.各节段节间的连接简化为单轴铰接,髋,膝,踝三关节的轴线与矢状面垂直.各节段的质量,质心位置和相对于近端的转动惯量,采用Winter D.A(1985)的计算方法.用Vicon系统对成年人进行分析,得出正常人平地行走时下肢关节力矩及功率变化曲线.通过他们的分析得出,正常成人平地直线行走时下肢关节的力距和功率的特征是:
(1) 踝关节在整个步态周期中基本上是跖屈肌在起作用.
(2) 在蹬离地面时,踝关节有一个很大的正功率,此为人体行走时的主要动力.
(3) 行走中膝关节肌力主要是起被动作用,即控制和缓冲作用.
(4) 髋关节主要起主动作用,其作用的两个功率峰值分别出现在足跟着地前后和足趾离地前后.
3.1.3.2 行走中肌电图变化的分析与评价
从整体上看下肢三关节有关肌群协同收缩/舒张导致双下肢交替站立/迈步.那么下肢三关节伸/屈的相关肌群是怎样活动的呢 Falconer.K和Winter D.A(1985)做了行走中踝关节拮收缩(Co-Contraction)的定量评价研究.他们认为: 主动肌和拮抗肌的相互作用并非一种简单的交互抑制/兴奋支配机制,它也是功能需要而产生的一种生理现象.Baratta等(1988)用EMG和Cybex对正常人膝关节伸屈肌的活动进行研究.结果显示主动肌与拮抗肌的拮抗收缩有助于韧带维持关节稳定性,同时在分散膝关节面压力负荷以及调节关节的机械阻尼等方面起到必要的调节作用.
恽晓平,Sandra Olney,刘永斌(1995),用Vicon系统,对正常人和痉挛性偏瘫患者进行步态对比分析,并提出了拮抗收缩分布曲线(Co-Contraction Profile,CCP)的概念及其量化模型.所谓CCP对膝关节来说是根据股四头肌和月国绳肌在一个步态周期中EMG包络线相重叠部分,积分面积大小变化的曲线.
正常人的CCP模式其拮抗收缩水平增高出现在站立相的负重期(从足跟着地到膝关节达到站立屈曲峰值的一段时间,约为步态周期的15%).这一结果说明了为什么在负重期支撑腿膝关节虽有微屈,却不致跪倒的原因.在正常人行走的负重过程中,股四头肌作为主动肌,进行离心收缩控制膝关节屈曲程度; 与此同时,拮抗月国绳肌的收缩随主动肌活动水平的增加而加强,以起到抗衡的作用.结果表现为CCP的提高,致使站立腿膝关节在负重期的稳定性增加.正常人行走的膝关节CCP模式又一次证实了拮抗收缩与行走生理功能需要密切相关.
3.1.3.3 步态评价的量化模型
步态是行走功能的外在表现.如何客观,定量地评价一个人的行走功能,一直是步态分析研究者感兴趣的问题.80年代初Dewar ME,Judge G.(1980)提出了时相不对称性(Temporal Asymmetry)作为步态量化指标的观点.此后,多位学者(Wall JC.1986,Sackly CM.1991,EKaterina BT. 1995……)接受了步态不对称性(Gait Asymmetry)概念.90年代初,刘永斌,闫宁等(1992)在步态对称性(Gait Symmetry)概念及其量化模型基础上,借用模糊数学中隶属度等基本概念先后提出了五个步态评价量化模型.它们分别是: 行走时相对称指数(Phase Symmetry Index——IDPS),垂直力对称指数(Vertical Force Symmetry Index——IDVF),行走平衡功能指数(Equilibriun Function Index——IDEF),行走制动功能指数(Brake Function Index——IDBF)和行走驱动功能指数(Drive Function Index——IDDF)五个经验公式.
从他们使用这些公式的经验可以看出,不同的人有不同的行走功能的外在表现,每个经验公式(指标)只是外在表现的一个方面.他们的研究还预示了,用模糊数学(Fuzzy Mathematics)中隶属度概念来评价人体行走功能将是一个发展方向
3.1.3 平衡
3.1.3.1 人体平衡器官及平衡维持原理[5]
人体的平衡维持,是人作为一个整体的应激系统来实现的.其牵涉到人体的感觉系统,运动系统的几乎所有器官.是一个\"感觉——应激——再感觉\"的循环协调过程.
耳就是维持身体平衡的器官之一.具体地说,就是内耳的半规管以及前庭中的椭圆囊和球囊.为了使身体在运动中保持平衡,需要很多器官协调配合,及时地觉察身体各部位所处的方位并通过神经自觉地调整相应部位的肌肉动作,使身体不至于失去大脑意识所预定的平衡需求.它们包括肌肉,关节,韧带,眼睛和皮肤等.但是最主要的是内耳前庭器官.
前庭器官中的三个半规管是相互垂直的,它们对人体的旋转运动特别敏感.头在运动时,由于惯性关系,三个半规管中至少有一个半规管里的内淋巴液随着头的运动而流动.这种流动能够冲击壶腹嵴细胞,产生神经冲动,传给大脑.大脑综合传来的各种信息,\"命令\"有关的肌肉,让它收缩或松驰,来保持身体的平衡.
前庭中的椭圆囊斑和球囊斑是专门感觉直线运动的.在椭圆囊内,耳石膜的耳石平等排列着;而在球囊中,耳石是垂直排列的.人体直线运动时,耳石会发生倾斜,使得毛细胞的毛变形,毛细胞受到牵拉,便会引起相应的神经冲动.大脑再根据传来的信息,做出适宜的决定.当前庭器官将神经冲动报告给大脑,大脑命令相应肌肉的力量产生改变时,主管眼球运动的肌肉也会有节律地收缩.这种运动会产生眼球的特殊运动——眼震颤.可以告诉大脑,现在所命令的肌肉动作正在执行,从而产生一个辅助反馈信息,告诉大脑肌肉其他渠道的到的神经反馈是否确实正确.
3.1.3.2 平衡控制过程初步分析
人体的平衡维持,简单的说,就是\"感觉——应激——再感觉\"的过程.但是,作为工程问题,这样的定性描述是不可以用来解决具体问题的.我们需要研究人体对于各种各样失衡状况,是怎么处理的,归纳出用数学模型描述的可以定量的工程原型.但是简单的数学模型,是不足够描述复杂的人体的平衡控制的.
以一个非意识状况的突发失衡控制来描述人体平衡控制的作用机理:
人处在正常的匀速行走过程中,身体各器官处于循环工作状况中,人的大脑意识没有将注意力放在行走这一基本动作中.既是说,人所处是一个相对稳定的环境,行为意识没有调用视觉反馈,来调整动作输出的必要.人的中枢神经系统,这个时候只是控制身体重复执行一个动作.
在以上所述的稳定行走状况下,路上突然出现一个影响步行动作的石块,而这个石块,没有被不专注于行走的人注意到.那么在行走者以为路况不变的情况下,没有对那个石块做出规避动作——改变迈步的方向,或是迈步的幅度,或是改变抬脚的高度.而是按照没有石块的正常路况,仍然按照原有的迈步方向,迈步幅度,以及抬脚高度,继续执行行走动作.
当路上的这一突现石块,干涉到人的迈步动作时,由于迈步动作不能顺利完成到位,破坏了人的行走节奏,以致按照行走速度向前匀速移动的人体重心,由于惯性,脱离了双脚的有效支撑,使人处于突发失衡的状况.
这种状况,人的重心,基本上是以脚被石块干涉的位置为圆心,产生一个圆周加速度.人的前庭器官对于这种突然的产生的刺激,反应灵敏,神经冲动异常强烈.以多数人的行走能力来看,长期的行走训练,对这样的突发情况,都有形成最符合自身动作习惯的保护动作.这种保护动作是一种无意识的应激反应.这样的应激反应的输出回路,没有大脑意识判断的步骤,是前庭的强烈神经冲动,引发在中枢神经中的固有反应回路,产生的运动器官执行动作——或者是未受石块阻碍的一边脚,应急做出一个前跳的动作,从而重新获得重心的支撑;或者是受阻碍的一边脚,应急做出一个上提的动作,然后加速前摆,赶上原行走节奏,使重心获得应有的支撑;或是……
个人的行走习惯是不一样的,所以应急反应动作也不一样,各人的应急反应总是最符合各人的身体状况的.这与行走多样性一样,应急反应也普遍存在着\"个体差异\".
我们研究这样一个简单的应急反应过程,就可以发现,描述这样一个应急平衡控制,需要的初期参数,就有:人体结构数据,形体行走数据,步态参数,突发情况描述参数,反应过程参数等.而每一个项目,都是因人而异的,而且为了控制的精确性要求,每个项目都有复杂而多项的参数.
更复杂的是,同样的情况,每个人的应付动作是不一样的.所以每个人的平衡控制模式,不只是细节的差别.
3.2 行走助力研究
3.2.1 无助力情况人体运动疲劳研究
3.2.1.1 运动疲劳及其产生机理
(1)运动疲劳的概念
人们工作或运动到一定的时候都会出现组织,器官甚至整个机体工作能力暂时下降的现象,叫疲劳.疲劳是一种生理现象,经过休息疲劳消失,工作能力又重新得到恢复.传统上,疲劳被看作是劳累过度的肌肉不能实现正常功能的结果.对于运动疲劳的产生机理,运动生化界一直未达成一致的看法,又加之运动疲劳与劳动疲劳,心理疲劳的密不可分性,使得运动疲劳没有确定的概念.1982年,在第五届国际运动生物化学会议上明确提出了运动疲劳的概念\"有机体生理过程不能持续其机能在一特定水平上或不能维持预定的运动强度.\"
(2)运动疲劳的产生原因
对于疲劳产生的原因,过去科学家主要有三种解释:
能源物质的耗竭学说:肌肉活动到疲劳时,能源物质(如糖元,三磷酸腺苷,磷酸肌酸等)的含量下降.因此有人提出疲劳是由于这些物质的耗竭而引起.
疲劳物质的蓄积学说:肌肉或血液中有些物质(如乳酸,丙酮酸等酸性物质)随疲劳程度的加深而增加.因此有人提出疲劳的产生是由于肌肉收缩时物质代谢产物的堆积所致.
机体内环境稳定性的失调学说:运动中产生的酸性代谢产物使机体体液PH值下降,PH 值下降到一定数值时,细胞内外的水分,离子的浓度就会发生变化,人体就不能继续从事运动.因此有人认为疲劳是机体内环境稳定性的失调所致.
现在,一种新的解释是:大脑才是长时间工作或运动后感觉疲劳的原因,大脑的\"介入\"是为了肌肉不容易受到损伤.
南非开普敦大学的保拉·罗布森-安斯丽教授和她的同事最新的研究发现,一种叫白细胞介素-6(IL-6)的人体信号分子在提醒大脑何时降低运动速度方面起着关键作用.长时间运动后血液中IL-6含量要比正常时高60至100倍,即使给健康人注射IL-6,他们也产生疲劳感.[15]
但是大脑令身体产生疲劳感觉应该不只是简单的取决于一两种物质.对于人的大脑对身体肌肉的输出控制,本身就是一个复杂的神经调节过程.所以可以影响大脑对于疲劳判断的因素有很多,不只是人肌肉的物质状态.人的意识判断,精神状态,所处环境等因素,也有重要的影响.通俗的说,身体状况相同的人,所谓的意志力强的人,感觉到疲劳的极限要高.
3.2.1.2 运动疲劳的应付对策
应对运动性疲劳,宜从两大方面入手:一是延缓运动性疲劳的产生;二是促进运动性疲劳的消除.
从传统的理论研究延缓运动性疲劳的产生,所得出的结论无非是关于提高肌体功能,锻炼意志力等常规手段.士兵日常所进行的体能训练的主要目的,就是提高士兵身体本身的基本素质,锻炼士兵的意志力.从整体运动能力的角度提高士兵的肌肉力量,身体耐力,提高士兵的疲劳极限,以及克服疲劳极限,能够最大限度的发挥潜能的能力.
又或者使用神经欺骗剂来向大脑传递身体不疲劳的信息,从而轻易的将身体的潜能全部发挥.甚至使用兴奋剂,使人体长时间处于亢奋状态,使其无论是战斗意志,还是战斗能力,都能在一段相当的时间,保持士兵自身的最佳状态.但是在兴奋剂效力过去之后,由于体力的过度消耗,需要比正常情况更长时间的恢复期,而且对使用者的身体有一定的损害.美军和前苏联都有储备这类药物的报道,具体的医学文献,也有相当公布.
在人体进入疲劳状况以后,疲劳的消除就显得很重要.通常的做法,是降低运动负荷,调动人体自身的恢复机制,经过一定的时间,人体就可以自觉从疲劳中恢复过来.
新的研究还表明,转移注意力,也是克服疲劳的方法.既是说,在人体感觉到疲劳的时候,将人的注意力从疲劳上转移到别的事上,注意力一转移,人的疲劳感觉就不那么明显了.但是实际上身体的消耗还是未变的.甚至说,人一开始就没有注意到身体的感觉,一直到对于某件事物的注意分散后,才注意到自身的身体状况.就是说,在做事的过程中感觉不到疲劳,结束了才觉得累.
3.2.2 负重助力的作用原理
研究表明:一般人负重不超过体重的1/5时,可以较轻松地承受;负重达到体重的1/4时,长时间行进会感疲劳;负重到体重的1/3时,灵活性受很大影响,完成攀登,跳跃等动作很困难.所以,通常情况下野外活动中负重以不超过体重的1/4为宜.
具备相当训练水平的士兵,其身体条件较一般人高,感觉负重轻松的标准可以提高到体重的1/4.我们在轻松的标准和需求的负荷之间求一个平衡,将最高标准定在体重的1/3.事实上,从各国的标准负荷看来,似乎都没有超过这个极限.但是我发现,我所研究装置需要面对的使用条件,不是需要负荷大大超过标准的负荷;就是需要在标准负荷的状况下,应付及其复杂的地形;甚至在超标准的负荷状况下,长时间的机动作战要求.
即使是特殊训练过的士兵,在上述特殊状况下,体力都是很大的问题.这样的行动负荷,任何士兵都容易感觉到疲劳,而且过量的负荷,使得身体没有机会自我恢复,从而轻易的进入身体疲劳期.即使精神上由于某种原因不感觉疲劳,实际的身体状况,也是在不断的消耗中.
概括得说,就是负荷越少,越不容易感觉到疲劳,感觉到疲劳后恢复的可能性也越高.简单的越轻越优的原则.
所以,从助力机构的基本功能看来,助力机构就是要帮助士兵负重.使士兵感觉到的重量负荷降低到不会使他们感觉到疲劳的水平.通俗的说,使用助力机构后,要使士兵在60kg作战负荷的条件下,拥有6kg负荷时的机动水平——类似这样的比例关系.
负重助力的作用原理,就是分担人体负重的动力负荷,使得人体自身的肌肉能力,只要负担自身体重及小部分负重的动力负荷.从而降低人自身的肌肉负担,达到减轻负荷的目的.
3.2.3 助力机构的助力过程简单研究
3.2.3.1 肌肉做功分类
我们知道肌肉做功分为静力功和动力功.动力功是肌肉改变肢体位置所做的功,静力功是维持肢体位置所做的功.作为负重机构助力,静力功助力可用刚性支架来分担人体负重的方法来实现.
助力机构的动力装置,就是主要负责动力功助力的.如何控制动力装置在合适的时候对助力支架施力,则是助力机构控制的关键.我们要让动力装置,在合适的时候保持支架的位置及形状,合适的时候改变支架的位置及形状.前者是静力功助力,后者是动力功助力.
动力功的输出,主要用在身体内力,及对外的外力上.例如行走过程的摆手,抬腿等改变字体位置,但没有跟接触面直接发生力接触的动作所耗费的动力功,就是内力功.内力功通常是消耗用作人体的运动平衡的.而脚蹬地的动作,就是耗费动力对外做功.外力功则是消耗在使人体重心改变运动状态的.
当然实际的情况远比说的复杂,同一个动作,在不同的时候可能消耗的是是内力功,也可能消耗的是外力功
3.2.3.2 简单行走的助力研究
从前面的\"3.1.3.1. 行走关节矩和功率的分析\"一节中,我们通过一般的步态研究手段得到正常成人平地直线行走时,下肢关节的力矩和功率特征的简单结论,以这个为前提,讨论简单行走的助力过程.
从做功的角度说,我们可以发现,平地直线行走时,踝关节和髋关节附近肌群主要起主动作用,膝关节肌力主要是起被动作用.既是说,在脚蹬离地面时,踝关节有一个很大的正功率作为人体行走是的主要动力;在足跟着地前后和足趾离地前后,髋关节附近肌群的动力达到最大值;而膝关节肌力主要起控制和缓冲作用.所以助力机构在这三个关节上都要能产生动力输出,而且能分别控制动力装置的力输出.
负重行走时,由于运动质量增大,不但踝关节和髋关节的动力输出变大,更重要的是膝关节的控制和缓冲负荷增大.而控制及缓冲能力的下降,间接的导致肌肉做功效率的下降,更加剧其他动力肌群的动力负荷,使得有限的肌肉能力消耗的更快.而且,控制能力的下降,对于突发情况的应付能力有严重影响,这就是下肢无力的时候,容易扭伤关节的原因.
当然,钢架的稳定作用,对于膝关节的帮助是明显的,对于维持两个动力源间的动力臂的稳定是重要的.
因此下肢稳定钢架不但是一个负重支撑架,也是助力机构的动力装置形成动力的力杠杠,更是助力机构的动力传递到人体的媒介.
3.2.3.3 复杂动作助力
讨论了相对简单的平面直线行走,我们再看复杂动作的助力.复杂动作跟平面直线行走不一样的在于各个关节的动力输出特性不一样没.更关键的是,复杂动作所面临的平衡控制问题.这就是目前助力机构,不能应付复杂地形的助力需求的原因.
因为平衡控制的前提在于失衡判断,这样的失衡判断,是建立在人体前庭器官这样的感知传感器的有效探测上.而且,既然是助力机构,其平衡控制也需要跟人体协调.
平衡带来的问题,不但要求动力机构的施力曲线更精确,也要求动力输出对于控制的响应时间要短.否则就会对使用者的动作协调性带来严重影响,从而增大使用者自身身体控制消耗的体力,使得助力变得没有意义.
我所面临的困难,是提出一种建立在有效控制体系之下的实用动力输出模式.使得人体负荷最小的情况下,能实现人体动作,对助力机构动力输出的直接控制,且要求助力机构不影响人动作的平衡性,协调性,灵活性.
4 行走助力机构的概念及整体设计方案的初步研究
4.1 行走助力机构的概念
4.1.1 行走助力机构基本概念
行走助力机构是一种在人的下肢外部,使用随动机械结构产生动力,为使用者提供额外的负重能力并提高其下肢肌肉的力量及耐力的装置.
行走助力机构既不是人体下肢运动功能的代替装置,也不是在运动起主导作用.它只是对人体下肢的能力扩展装置,在与人体下肢运动器官运动同步的前提下,提供额外的力量输出.它能在不影响使用者的运动功能的前提下,代替使用者的肌体,提供对使用者背负质量的运动负荷.
行走助力机构应该包括如下既独立又互相联系的部分:
背负系统及下肢连接架
背负系统中包含能源储备,动力源,控制系统等的配置位置.
背负系统将使用者背负的重量,全部通过下肢连接架传递到下肢外支撑架上,同时保证整个装置与使用者的贴合,保证行动的可靠性.目的是让使用者感觉到背负装置的存在,而感觉不到背负的重量.
(2)仿生腿形下肢外支撑架
类似人体的外骨骼,通过连接部件与使用者的下肢同步并联起来.负担使用者背负的重量,传递动力装置的助动力.
(3) 动力输出装置
作用在下肢外支撑架上的动力装置,根据控制系统的指令,能够线性或非线性的输出动力.代替人体下肢肌肉对负载输出行动动力.
(4)独立能源系统
作为独立的作战系统所必须要有的部分.具备一定的自持能力以及易于补给的特性.
(5)传感器系统
适当的传感器布置,是保证助力机构对人体动作适当反应,以及使用环境适应性的前提条件.
(6)控制系统
不但能够按照程序设定的参数,对助力过程进行控制;更能够根据环境的变化,以及使用者的身体条件变化,对控制参数进行修正.
4.1.2 行走助力机构实用性概念
通过使用行走助力机构的帮助,士兵能够在预定的战场环境下具备轻松完成长距离负重机动的能力(包括具备复杂地形的通过能力).这就要求助力机构需要有如下特性:
装置本身应与使用者的行动(不只是行走)具有高度的协调性.
基本不影响人本身的行动灵活性,体积要小——不影响士兵的战术动作,不造成隐蔽的困难.
可靠性要高,不只是工作性能稳定,还应具备一定的抗损坏能力.
总重量要合理,装置重量加上负载重量也不应超过人体的行动极限.
要能方便的进入及脱离使用者——损坏或能量耗尽的时候,能马上脱离使用者,不至于成为行动的负担.
为了实现以上的使用性要求,在行走助力机构的基本概念的基础上,我扩展了实用性概念.其中对于行走助力机构的各组成部分的要求更具体:
(1) 背负系统及下肢连接架与使用者身体的主要连接部分,在人体腰部的位置,肩部的背带主要起辅助连接的作用.
这是因为,在传统的无助力背负系统设计中,已经引入了利用内部支撑的金属架和包带,将所有背负的东西结合成为一个整体的设计概念.并且将背负的70%重量通过宽阔柔软的腰带直接传递到背包者腰部.而不再像传统的背包一样,全部重量用双肩来负担.这样可以放松人们的上肢,长时间负重也不会感到疲劳.
但是由于背负系统的设计,是要求将背负重量,全部通过下肢连接架传递到下肢外支撑架上,直接作用在地面上,而不通过人的腰部,对下肢骨骼传递负荷.所以下肢连接架与背负系统连接的设置位置,也应该在人体腰部.
对于背负系统的重心设置问题,我们也应该参考传统无助力背负系统的设计经验.当系统空载(空载时也有装置自身的重量)或满载的时候,都要求背负系统能保证其重心与人体上肢重心基本重合.这样才能保证人体的平衡控制,能对助力机构的平衡控制起到有效的引导作用,使得使用者的动作协调性得到保证.
(2)仿生腿形下肢外支撑架的设计应与动力输出装置的设计同步考虑,以动力效率为优先考虑,在满足体积及灵活性可靠性要求的前提下,不一定要沿着人体下肢骨骼的方向.但是关节的位置应该是与人体相同.
当然,外支架的机械学设计,远没有说的这么简单.不但设计到机械系统动力学,更涉及到人机工程学.其中牵涉到个人身体尺寸的差异,不是每一个使用者都可以使用一样的外支架的.
(3) 动力输出装置和独立能源系统
对系统的体积及重量要求,使得动力装置一定要做到体积小,功率大,重量合理.而能量储备系统的储能密度也要求的很高.
(4) 传感器系统和控制系统
控制系统根据传感器的反馈,对助力过程动作进行控制.所以反馈时间,控制反应时间必须计算精确——不是简单的响应时间短就可以的.
传感器应该能够感知环境的状况,系统的运动状态,使用者的身体状况等各个方面能够影响助力过程的状态参数.
4.2 对已有助力系统设计的分析
4.2.1 对Bleex的设计分析
目前已面世的行走助力机构,只有美国加州大学伯克利分校为美国国防部的\"尖端国防产品研究所\"研制的BLEEX(Berkeley Lower Extremities Exoskeleton)——伯克利下肢外骨骼助力器.
分析了所有关于Bleex的中文报道,没有发现相关的技术资料.英文网页的所有相关技术参数描述,都是基于伯克利大学的官方网页的相关介绍性描述,而相关的图片也只有源自官方网页的一张.
但是,这张唯一的图片,也能给与我们很多启示.结合其官方资料,我得到如下对Bleex的分析结果:
Bleex的助力重点在膝关节和踝关节上,外骨骼与人下肢的连接点有腰连接,膝下小腿连接,鞋连接.合计一共五点.外骨骼与大腿间没有连接.这样的连接设计,在保证一定助力需求的同时,最大限度的保证了髋关节的活动自由.(髋关节是人体下肢关节中,唯一的广义三自由度关节.踝关节在行走中,通常只有一个自由度.)但是其可保证的膝关节的最大弯曲角有限,对髋关节的助力作用也有限,不可能保证复杂地形的通过能力(如登山).
助力输出在一个简单平面内.在单边外骨骼中,使用髋前,膝后,小腿前三个液压输出机构,构成一个平面形态控制机构.髋部采用一个转轴垂直的单自由度关节,保证可通过髋关节控制行走方向.但是这样的设计,限制了一个髋关节自由度(腿不能外摆,或外摆度有限).
3)踝关节是几个自由度的还不是很清楚,但是如果只有一个自由度,对地形的适应能力就太差了.估计跟小腿骨垂直的两个轴线都是可以有限转动的.
4)根据资料,Bleex有40个左右的传感器,用一个\"body lan\"的总线系统,与控制电脑连接起来.比较有特别提到的,是脚掌上的压力传感系统,我们也知道,脚掌压力可以最直接的反应人的不同行走状态.
5)动力装置应该是液压马达,在照片中可以明显看见管路,以及电控多路阀这样的装置.据资料马达采用的是电池供电,动力可维持约1个h.可以提供约32kg的负重能力.新的消息是,Bleex二代采用的新型发动机将会使用过氧化氢作为动力.过氧化氢一旦和催化剂接触,不需要燃烧,马上就能急剧膨胀.体积更小,噪声也更小,动力更强劲持久.所以装置的负载能力可以提高一倍,达到60kg.加满燃料后,动力系统可以持续运行长达两个h.
6)控制电脑,动力装置及能源装置都装在背负系统中.系统全重在50kg左右.初期型号只有32kg的负载能力,即使新型号将负重能力增加到60kg,整个系统的能动比还是太低了.
从产品的角度说,Bleex还是一个工程验证模型,是一个实验样品.虽然其作为一个已经能够实现功能的机械产品,但是与实际使用的要求,还有较大的差距.不可否认其先进性,无论概念还是设计,都是值得借鉴的.
4.2.2 典型助力系统EPS的工作原理分析
目前最常见的直接动作控制的助力系统,是汽车转向助力系统.传统的转向助力系统是液压驱动的,而现在的比较先进的转向助力系统,一般是直流电机直接驱动的,既是电动助力转向系统俗称\"EPS\"(Electrical Power Steering).
电动助力转向系统是由电器控制器根据传感器信号反馈控制助力驱动装置来实现助力的转向系统.
电动助力转向最基本的工作原理:驾驶员操纵转向盘时的转向力矩通过转向齿轮和转向拉杆传到汽车的转向轮上.与此同时,扭矩传感器根据转向力矩的大小给出响应的电位信号,而车速传感器给出车速信号,两信号都送到助力转向系统的电子控制单元.电子控制单元根据目前的车速,计算出所需要转向力矩,减去驾驶者自身的操作力矩给出所需要的转向助力参数信号,这个信号通过控制输入到转向助力电机的电流来实现控制所需要的转向力大小.转向轮上最终得到的转向力矩是驾驶员转向力矩和转向助力的总和.
此类系统一般由转矩传感器,电控单元(微处理器),电动机,减速器,机械转向器和蓄电池电源所组成.
当不转向时,电控单元不向电动机控制器发信号指令,电动机不工作.同时,电控单元根据车辆速度信号,通过电液转换器确定输给转向盘的作用力,减少驾车者在高速行驶时方向盘\"飘\"的感觉.
由对此典型助力系统的助力原理的分析,我发现一般助力系统的助力过程,都需要涉及到以下三个阶段:
使用者动作输入力检测.
相应情况下力需求计算.
控制动力输出.
其中的关键技术,既是力的检测,及相应状况的需求力标定.
4.3 行走助力机构的总体设计目标
行走助力机构是一种以帮助徒步作战的步兵提高负重机动能力为目标的特种作战辅助装备.其以机械动力装置,为负重士兵提供额外的肌肉能力,并与士兵的下肢动作一致,不影响士兵行动的灵活性.
我以我军的实际作战需求为前提,根据目前能够实现的技术水平,提出行走助力机构所需要达到的设计目标:
能够为至少35kg的负重,提供12h的连续助动力.
以现在的作战条件来说,超过12h的徒步机动距离,使用徒步突击作战都是不合理的.既是说,12h是士兵特殊地形机动的极限.12h后,必须要修整与补给.即使是脱离后方支援的伞降部队,也不可能要求士兵12h不停的进行机动(当然,35kg的助力能力,对伞兵还是远不够用的).换一个角度说,在目前的动力能量密度条件下,要求更长的支持时间,技术上是无法保证重量要求的.
整套行走助力机构,包括支持12h动力的燃料,重量在25kg以下.
以35kg的负荷助力能力为前提,1.4的助重比是合理的.试想,既是助力装置突然实效,一共60kg的总重量,也不至于使的普通士兵完全失去行动能力.(当然,在高原山地,60kg的负重几乎是不可能完成的任务)
工作噪音应该满足在无风的一般植被热带丛林条件下,25m外不能明显察觉.
如果行走助力装置工作时候产生像摩托车一样的噪音,那么行走助力所帮助完成的徒步机动的隐蔽特点也就消失了.特别是在热带丛林这样的作战环境,声音是了解敌情的主要手段,过大的噪音,对于机动部队作战能力的打击是致命的.而一般的高原山地,背景风噪音较大,这样问题似乎不明显.但是高原山地地形开阔无遮蔽,顺风情况下,声音传播的更远,所以最好还是把装置噪音,溶入背景的风噪中去.
红外特征不应明显超过士兵本身太多.
在先进红外夜视装置已经普遍装备的今天,夜色已不是作战行动最好的掩护了.任何作战装备的红外特征,都应该在可能的情况下尽量的不明显.应该应用任何可能的伪装手段,减小装备的红外特征.而单兵装备的使用,自然要求不影响单兵的隐蔽性为前提.以一个红外伪装后的士兵的基本红外特征为标准,来衡量一个单兵装置的红外特性是必然的.
助力机构在背负系统中所占体积,不应超过30%.外骨骼助力机构体积不应超过士兵下肢体积的150%.
不是说士兵使用了行走助力机构进行机动,就不需要再使用其他的机动工具了.而在使用其他机动工具的时候,单兵装备体积是受限制的.比如拥挤的装甲运兵车,甚至是空间本身就不宽裕的飞行机动工具.所以小一点的体积,对于机动协调性是重要的.
外骨骼助力机构突出对踝关节,膝关节助力的同时,忽略帮助髋关节肌群施力的能力.
装置没有对髋关节助力提出助力的要求,是因为人的髋关节肌群是能力较为强的肌群.而且装置本身的自重要求,使得不可能提供很多的出力结构,更因为负载总体重量不是很大,助力的效率上说,对髋关节助力得到的回报较低.
完全防水能力.
且不说海军陆战队这样的作战单位可能需要的涉水作战,一般部队应付机动中的小河流,或者降水气象条件等等,都需要军用装备需要的防水功能.而完全的防水功能,对于助力机构这样的精密装置来说,技术上完全可以实现的,而且对于电器设备的保护,完全防水是绝对必要的.
结构强度要足以应付士兵的任何战术动作带来的冲击载荷.
既是说,不能因为士兵做战术动作,造成装置的损坏,以致助力功能失效.如果因为使用了助力装置,让士兵的战术动作受到限制,那么这样的装置对于作战的实际意义就不大了.一个只用在机动过程的精密工具,战斗中需要脱离,那么使用的局限性就足以让它不能装备了.而且足够的结构强度,是保证抗损坏能力的前提.战场上,它跟士兵的肉体一样,会受到子弹,和破片的威胁.
控制系统具有学习能力.
由于士兵个体之间的身体差异,每一个士兵所需要的助力机械是不一样的.这不但体现在外骨骼尺寸的差异上,也因为个人行走步态的不同,需要的助力过程不一样.但是我们不能为每一个士兵的定制一套操作控制系统,只能使通用的控制软件具有学习能力.经过每个士兵一段时间的使用,使得行走助力机构能够自动调节,不断适应士兵的动作,从而得到能够得到最有效率的助力控制.
另一方面,机动过程的环境是变化的:温度,湿度,工作负荷,路面情况,装置自身的损耗,使用者的身体状态等,都是动态的,行走助力机构需要对根据具体的情况,对工作参数做出实时的调整.这些都是控制系统的学习能力的要求.
4.4 行走助力机构总体设计方案
4.4.1 总体结构及驱动方案讨论
经过上面总体设计目标的讨论,我对于行走助力机构的重量,体积,自持时间等都有了定论.在助力方案上,也得出了在有限的重量体积下,只对膝关节和踝关节肌群助力的结论.
4.4.1.1 助力驱动单元
在现有的技术条件下,液压驱动无疑是这种设备条件下能动比最高的驱动方案.所以Bleex就采用了液压驱动的方案,而且液压驱动的技术门槛低,易于实现.但是,我认为液压驱动方案不是最优的:
液压驱动系统因为原理的限制,在控制响应速度和精度上有先天的不足,且提高这两项指标要付出的控制及制造成本巨大.
液压驱动系统的结构复杂,维护及制造成本高,使用可靠性难以保证.
液压系统的能量使用率低,不利于提高能动比.
以对重量和体积也有极高要求的航空设备的发展趋势来看,采用程控直流大功率步进侍服马达,已经成为代替液压设备的主流趋势.
所以,我在我的行走助力机构的驱动方案中,采用直流步进马达作为驱动单元.我认为其优点在于:
控制模式更简单,直接,且控制精度易于保证.
结构更简单.减少了运动传递部件,直接给关节施加力矩,效率更高.
制造成本虽然初期较高,但是大批量后易于降低.
维护和使用更方便.
4.4.1.2 能源装置
选择了使用直流电驱动的马达,电源问题就直接而来.从技术成熟的角度说,能够达到高电能密度的,唯有锂电池.但是,既是锂电池的能量密度,仍不足以保证12h的自持力.且从战术使用及补给的角度说,野战条件充电是不切实的.充电设备不说,大容量锂电池的充电时间也是个问题.
行走助力机构作为一个机动工具,最好能像车辆一样,采用液体燃料加注的方式实现能量补充,或者就像使用液化石油气那样,是直接的模块化燃料罐.这就带出了燃料电池的概念.
燃料电池将化学能转变为电能,其最主要的优点是热效率高和污染极低甚至达到零污染.而且能量密度比锂电池要高很多,比如质子交换膜燃料电池质量比功率为700W/kg,体积比功率为1000W/L.锂电池虽然质量功率高达1500W/kg,但是电池质量能仅为175wh～300wh/kg,为燃料电池的十分之一左右.
目前的移动设备,比如笔记本电脑,已经有使用燃料电池的产品面世了.比之锂电池,设备的移动使用时间提高了至少3倍.世界各大公司甚至在研制手机用的燃料电池.可见燃料电池作为移动设备的能量来源是有发展前途的.
特殊的情况,可以使用核电池,其自持能力就几乎不受装置储能的限制了.核电池是利用放射性物质的辐射能,产生电能的装置.其功率密度高,能量几乎无限.苏联早在60年代,就在军用卫星上装备了核动力电池.可见其技术实现与工作原理一样并不复杂.只是因为价格以及环保问题,使得核动力电池不能广泛应用.
4.4.1.3 外骨骼及驱动配置
选用关节直接输入电机扭力的方案,在双腿外骨骼的膝关节与踝关节分别布置直流电机,一共4台电机实现助力的动力输入.对于单边外骨骼,在髋关节处使用一个水平摆动单自由度关节与下肢连接架,使用与膝关节,踝关节同一转动平面的单自由度绞接关节与大腿外骨骼连接,实现对人体髋关节的两自由度功能模拟.在脚掌外骨骼与地形适应鞋间,使用一个轴线在水平面内与踝关节轴线垂直的单自由度地形适应关节,实现对踝关节的自由度补充,满足地形适应要求.大体的布置,见如下线条示意图:
4.4.2 传感器与控制方案讨论
为实现步态平衡控制与运动协调,环境信息实时采集与处理,实现设计的行走助力功能.行走助力机构需要各类的传感器为动作判断提供信息,根据预设动作参数,计算所需助力输出.
根据肢体行为直接驱动的助力系统的基本工作原理,我得到系统控制基本原理框图如下:
肢体行为控制输出助动力的模式,可以简化操作,但是其对传感器的要求就很高了.传感器需要在人肌肉动作开始的一瞬间,将人的动作信号传递到控制电脑,控制电脑判断出人的动作企图,根据响应的设定参数,决定输出动力的方式,并且根据人已使用的动作力,决定助力的大小.使得装置能够与使用者同步用力,分担使用者的动作负荷,达到助力目的.
传感器要实时监控人的肌肉以及助动力的出力情况,将相应的运动参数返回控制电脑,控制电脑根据相应时刻的整体运动状况,再决定下一时刻的助力.或是在稳定地形,使用固定输出模式,直接带动人的行走动作.
要实现传感器的实时监控功能,我认为传感器与控制电脑间需要有良好的联系.应使用专门的并行总线系统,实现数据的交换.其数据流如下示意图:
图中,出现了六大类传感器:
身体<a name=baidusnap0></a><B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>.主要反应各外骨骼关节的转角参数.
重心加速度传感器.类似人的前庭,可以给出装置联合人体的横向,纵向的直线加速度,以及三个转轴的角加速度.
脚底压力测定单元.一个特殊的压力传感器列阵,在地形适应鞋与脚掌外骨骼之间.以一定的方式分部在脚掌下方.
环境参数传感器.主要给出所在环境的温度,湿度,甚至是风速等信息.
装置状态传感器.主要给出装置本身的状态参数,例如能源储备,电机润滑,电机效率等.
人体生理状态传感器.包括指示使用者的脉搏,血压等生理参数.
此外,电机自身也会反馈执行状况.从而整个系统构成一个多精度的闭环控制结构.有较大的探测冗余,可以互相代替彼此作用,而且可以互相校准得到的信息.
5 行走助力机构的技术瓶颈
5.1 行走动作预设参数制定
在行走助力机构的助力控制中有一项很重要的数据设定——行走动作预设参数设定.我们必须使用这项参数来控制各种情况下,不同的助力动作.
由于人类行走动作的是\"个性化\"化的,而且根据路况,使用的行走动作也是随机的.所以,我们很难使用一种固定的数学模型来具体的描述行走过程.所以我们也很难得到一个固定的助力输出设定.
由于以上的原因,我们需要行走助力机构具有学习能力——针对它的每一个使用者,\"学习\"出一套最适应使用者行走习惯的助力模式.
智能机械得学习的过程主要使用两种规则[18]:
一种是监管指导学习:每一个由变量数据都有与其相对应的适当的动作数据做出反应,每个环境变量数据是由传感器输入的信号,经过特别的收集处理而得到的数据集中的一个.这种预设的输入/反应配对模式,称为训练设置,使用一个称为规划教学模型的程序.这个程序是程序员试图为机器人在一定的任务模式中使用而设计的教授部分的程序.程序像老师一样,告诉机器人什么是完成任务必须的.这就是给机器进行初始设定,使其在监督指导学习模式下能克隆老师的行为.
在监管指导学习模式下,控制系统试图将输入/输出行为模拟为一个在任务中具有熟练能力的老师进行学习.这种方法既是有时被称为\"行为克隆\"的方法.学习部分的程序,在增强学习模式下通过任务,在任务中形成行为.学习指导是通过使用者的操作,最初设定,环境等因素所形成的反馈来实现.学习是通过调教机械的控制来实现装置对各种预设的环境条件做出正确的或近似正确的反应.
在行走助力系统的助力学习阶段,我们可以直接利于装置本身的传感器系统,对使用者的行走数据进行采集.方法就是不带负载,只配置助力机构的重量,使用原始的助力方法数据,让使用者直接在佩戴助力机构的情况下,在一定的地形条件下,行走一段时间.让系统在这段时间中采集人体行走数据,根据一定的程序规则,就可以达到一定的\"行为克隆\"目的.
另一种,被称为增强学习方式的方法,任务是给装置在实际的工作状态下,偶然遇到的积极或消极的环境因素造成的执行偏差给予动态补偿.学习的过程,即是程序试图修正控制系统的补偿值,使长期的,固定调整参数最佳化(没有可靠的输入数据可以证明这些参数的正确性).
这对于行走助力机构就要求使用者对同一装置,积累足够的使用数据.在更多更复杂的环境下,使用这一装置.给装置足够的\"学习\"机会
5.2 传感不确定性与传感器冗余
对于精密的机电一体化的系统,行走助力机构无论是零件制造还是装配上,都存在个体差异.所以其精密的控制要求,使得它对传感器的灵敏度及精确度有十分高的要求.
但是,传感器具有不确定性,特别在多元输入行为决策控制上,传感器列阵的不同输入,带来的是不同的行为判断.
行走助力机构要求能对传感器信号进行知觉化处理,以确定使用环境状况以及自身机械电器状态.假设,只要是在与助力过程相关的任意的细节设置中,我们可以将这个任意细节的集合定义为,包含助力机构所处的状况的任意参数.假设助力机构传感设备输送的一个状态参数信号S,通过一个映射,表现为一个输入向量X.既是说,只要是与助力机构相关的,所有的状态信息都表现在一个向量信息中.(我有时将X简称为输入代理,即使输入实际上是首先处理过程.)
关于我所涉及的领域,在状态感知映射处理上,有两种不理想的情况.因为随机信号噪声可能是一对多的映射,所以相同的状态状况信息可能通过输入电路处理后,被映射为不同的信号;又因为随机信号可能是多对一的映射,所以不同的状况信息可能通过输入电路的处理后,被映射为一个相同的信号.后一种不确定性被称为感知混淆.一种减轻感知混淆的方法,是将上述的传感器输入信号所组成的输入向量,用一个线性存储结构记录起来.通常,不同的环境状况向量经由不同的输入次序组成,通过这种输入次序与历史数据的比较,可以区分相同映射的不同环境含义,从而减轻感知混淆.[18]
在我先前对行走助力机构总体设计方案的描述中,特别提到了传感器冗余问题.既是说,对于同一个状态参量,可以由不同的途径得到.对于一些重要的参数,如平衡控制的相关参数,可以比较几个途径得到的参数,再参考原有的数据包括\"经验控制\"参数,就能够判断出哪一个数据出错,从而得到较正确的数据.传感器冗余,是解决传感不确定性的最好办法.
但是,传感器冗余机制,有时候也会带来问题.特别是响应时间,很多时候装置需要很快的响应速度.如果不能跟上所需要的响应速度,信号可靠性判断就不能发挥应有的作用.还有就是当程序不能判断究竟哪一个数据才是可靠的时候,传感器冗余便很无奈了.解决的方法除了使用更快的处理器以及信号总线外,更好的程序算法,以及更多的经验数据是很重要的.
5.3 燃料电池技术
作为助力机构的动力源的燃料电池,现在还是一种发展中的新型能源.其最主要的优点是热效率高和污染极低甚至达到零污染.燃料电池将化学能转变为电能,到达驱动装置后综合效率约为34%,而传统的发动机将化学能转变为机械能,到达驱动装置后的综合效率仅为12%左右,这意味着燃料电池比一般的发动机更加节能.
按电解质类型不同分,燃料电池主要分为5种:碱性燃料电池(AFC),磷酸燃料电池(PAFC),熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),固体氧化物燃料电池(SOFC),质子交换膜燃料电池(PEMFC).它们的操作温度在25℃到1000℃之间,响应时间也在3分钟到10个h之间不等,而比功率则在15W/kg到1000W/kg之间不等,当然成本价格也有很大的差异.
质子交换膜燃料电池(PEMFC)所具备的特性如能量密度,操作温度,耐二氧化碳能力以及耐振动冲击能力等,最适合用作移动设备的动力电源.质子交换膜燃料电池电池以铂(Pt)为电极催化剂,纯氢为燃料,空气或氧气为氧化剂.它的最大特点是可以在室温条件下启动,电池寿命长(10年以上),相比其他类型的燃料电池能量输出效率高.电池工作时,纯氢在阳极发生氧化反应,并向外电路放出电子;氧化剂在阴极处从外电路获得电子,发生还原反应;电子通过外电路由阳极流向阴极,从而产生电流,完成由化学能向电能的直接转化过程.现在,这种电池的性能很好,质量比功率为700W/kg,体积比功率为1000W/L.
目前,移动用燃料电池需要解决的关键问题是如何提高燃料电池单位质量和体积,电流密度及功率,以及提高某些设备必需的快速起动和动力响应能力.现在其所能达到的能量密度水平,还不足以满足12h的机动能力.此外,为保证安全性能致使制造工艺复杂,成本偏高也是阻碍燃料电池大规模使用的主要因素.如今电池能量不成问题,但存在技术问题,如何用最佳方法取出能量,还需大力提高燃料电池的性价比.
可携式氢-空气燃料电池已完成第一代商用产品的开发.美国AnalytiPower公司开发氨动力燃料电池FC150,电压为24V,功率为15W,总能量为2360wh.H-Power公司生产30W,35W,40W,50W质子交换膜燃料电池系列电源,例如50WPEMFC可作为军用电池取代军方广泛应用的一次性电池BA5590Li/SO2电池.Ball/Ballard公司生产25W质子交换膜燃料电池,成功用于温度为0℃～50℃,湿度为0%～95%环境下,2500m高登山无线电发射电源.FrauniseISE公司开发蜂窝电话用的燃料电池.质子交换膜燃料电池的体积小,功率的大小可视应用而定,使用方便,已开发出从几十瓦到千瓦级的PEMFC移动电源.
我们国家燃料电池的研究水平与先进国家的差距不大,只是还没有商业化的产品面世.相信如果有军用设备的研发为背景,这方面的技术很快会有大的突破.
5.4 轻量化结构材料
行走助力机构的轻量化要求,及其抗冲击强度要求,都使我不得不将其主要制造材料,放在新型轻量化结构材料上.
所谓的轻量化材料,主要指轻金属合金,树脂基纤维增强复合材料,陶瓷基复合材料等.其中陶瓷基复合材料主要是用在需要耐高温的结构环境中,常用场合往往显得成本太高.而轻金属合金,环氧树脂纤维增强复合材料已经广泛应用在航空器具中.
环氧树脂纤维增强复合材料,具有高比强度和比刚度,可设计性强,抗疲劳断裂性能好,耐腐蚀,结构尺寸稳定性好以及便于大面积整体加工成形,利于复杂外形构件的制造的独特优点.其主要的用途是制造特殊场合的外蒙皮.
镁,钛,铝等金属的密度小,分别为1.7g/cm3,4.5g/cm3和2.7g/cm3,通常被称为轻金属,其相应的镁合金,钛合金,铝合金则称为轻合金.特别是钛合金,其具有比强度高,耐蚀性好,耐热性高等特点.钛的比重仅为普通结构钢的56%,而强度与普通结构钢相当或更高,在金属结构材料中,钛的比强度是最高的.因此,钛是一种极有前途的机构金属.
针对行走助力机构,我考虑外骨骼应该使用钛合金,电机外壳这些非承载结构应使用环氧树脂复合材料.从而最大限度的减少结构重量.但是具体使用哪一种钛合金,采用什么样得工艺流程,具体机构设定等,还是需要深入研究得课题.
结 论
为应对未来战争挑战,以我军实际战术要求为前提,提出行走助力装置.为特殊条件下需要应对身体极限的士兵,满足其长距离负重徒步机动需求而设计的行走助力机构,是一种在人的下肢外部,使用随动机械结构产生动力,为使用者提供额外的负重能力并提高其下肢肌肉的力量及耐力的装置.
其包括背负系统,下肢外骨骼,驱动电机,移动电源,传感器及控制系统.能够在不明显影响士兵动作灵活性,行动隐蔽性的前提下,对士兵的行走动作做出动力辅助,从而减小士兵的身体运动负荷,降低体能消耗,保持最佳的身体状态.
详细分析了国际局势对于我国军队建设的影响,预测的未来一段时间我军轻步兵的战斗模式,从而从需求上提出行走助力机构对于提高士兵战斗力的作用.进而分析了人类行走特点,从理论上提出了助力机构对人类负重行走的帮助方法.综合这些分析,提出了行走助力机构的确切概念,明确了需求前提下的总体设计目标,并从结构,控制的角度,规划了行走助力机构的设计方案,以及此设计方案实施过程中可能遇到的问题.
当然,虽然提出了设计目标,但这是从工程人员的角度提出的,没有经过使用者意见反馈,具体的参数只是来源于公开出版物,难免会有所偏颇.总体设计方案没有涉及到具体的机构,电器,控制程序等,只是一个方向性的指导.
另外要完成行走助力机构的设计,需要更深入的研究人类的行走,我在这方面的涉及,只是一个开始.对于动作控制行走助力这样需要人机交互的智能机械的模糊控制研究,还是一个未及深入的方向.事实上,这对行走助力机构能否达到使用要求,具有决定性的作用.
致 谢
随着本文的完成,我在南京理工大学四年的学习生活也要结束了.在此,我首先向四年里教导我,帮助我,关心我的老师们表示衷心的感谢.感谢他们在学习上,生活上,思想上对于我孜孜不倦的教诲.老师们渊博的知识,严谨的学风,创新的精神,宽厚的品格令我受益匪浅.
感谢我的知道老师王晓鸣老师及专业负责老师刘荣忠老师,他们认真负责的工作态度,深厚的理论知识,丰富的实践经验让我在毕业设计中的收获很多,能力上有了提高,对今后的学习生活有很深刻的指导价值.另外,我感谢李文彬老师给予我的帮助,使我克服了许多迷惑,找到了方向.
最后,感谢母校给我提供了良好的学习环境.并对所有帮助过我,关心过我的人表示深深的敬意.
参 考 文 献
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18 Nils J. Nilsson.Learning Strategies for Mid-Level Robot Control: Some Preliminary Considerations and Experiments.Stanford: Robotics Laboratory ,2000-5
使用者动作
传感器
动作感知
控制器运动参数计算
助动电机
动力输出
中央控制电脑
数 据 总 线
助动力电机
身体<B style=\'color:black;background-color:#ffff66\'>位置传感器</B>
重心加速度传感器
脚底压力测定单元
环境参数传感器
装置状态传感器
人体生理状态传感器
·下一篇：汽油喷射技术和涡轮增压技术是近年来发动机技术领域的...