智能消防外骨骼的经验基础性整理与分析

智能消防外骨骼的经验基础性整理与分析摘要：随着当今国家经济水平的快速开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，假设是将外骨骼向巩固化和持久化方向上开展，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根底性整理和分析。

关键词：智能消防;消防外骨骼
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：一方面是效劳于老年群体的支撑型外骨骼，另一类是效劳于残疾人和局部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，是一个具有良好开展前景的工程，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拟稳定的，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适宜的地方工作。

〔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开展前景的新兴方式，但是这种造出来
的人工肌肉的承受压力载荷能力很差，其中有局部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BLEE某为例，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〔RIOM〕。

BLEE某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那么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，哪只脚承当的重量多。

除此之外，BLEE某的总控计算机IOM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
〔二〕在基层消防救援战训上的应用
外骨骼技术在根底训练中的应用主要表达在两个方面：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开展，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开展困难的必要条件，需要开发轻而
强的复合材料，降低硬件本钱，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。