单兵外骨骼研究报告.ppt

概念 一些昆虫类动物，长有身体以外的骨骼，具有支撑、保护身体的作用，被称为外骨骼。 美军研制开发的单兵外骨骼装备，就是根据仿生学的思想，为单兵设计一套体外支架，通过均衡分配外挂物重量，传导、放大单兵的肢体动感，做到既增强单兵负重能力，又保持单兵的行动灵活性，从而使背负诸如美军研发的“勇士”单兵数字化系统、大型机具、超标重武器弹药的单兵，依然具有像普通单兵那样或更高的徒步机动作战能力。 研究背景 当前世界上很多国家着眼于未来战争的需要，都在发展自己的未来单兵系统。目前著名的有美国的陆地勇士（Land Warrior）计划、俄罗斯的狼/士兵2000系统（Project Wolf/Soldier2000）、法国的未来步兵（FELIN）和以色列的“阿诺格”计划（Project Anog） 。这些系统都集合了众多先进技术装备，将单兵作战能力与以前相比提高了很多，虽然采用了众多新型材料来减轻装备的重量，但是单兵的负载还是过重，不利于单兵的快速行进和任务的及时完成。对未来作战而言，城市的巷战将成为主要的作战形式，各种重型装备将很难发挥作用，更多的任务将落在步兵身上，而越来越多的单兵装备让普通士兵在行军时疲惫不堪，外骨骼装备的出现很好的解决了这个问题。 外骨骼工作原理 单兵外骨骼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。开链机构与人体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，通过搜集负重和人体运动信息，将信息提供给中央处理器计算来调整外骨骼的运动幅度，控制能源系统完成供能及动力系统完成与士兵相匹配的动作。 科幻电影中的外骨骼装备 《钢铁侠》 《阿凡达》 《特种部队：眼镜蛇的崛起》 美军单兵外骨骼装备 洛克希德·马丁公司——人体负重外骨骼（Human Universal Load Carrier，HULC）（左） 雷神公司——完全机械外骨骼系统（ XOS ）（右） HULC 这种新型装备的全称为“人体负重外骨骼”（简称HULC），是一种能够通过提供外力来满足士兵对机动性和支撑性需要的机器人技术装备。 整套系统由钛合金制成的机械腿、驱动装置及控制计算机，以及背部的负重部分、散热单元等组成。机械腿按照人体仿生学设计，结构简单，内部有液压传动装置和可像关节一样弯曲的结构。穿戴HULC后，士兵不仅可以携带重物自由行走，还可以蹲在掩体后面射击，或背负重物高速跑动。 HULC的最大负重超过100千克，全部由背上的托盘承担，再通过机械腿直接传递到地面，穿戴者几乎感觉不到任何重量。HULC身体上半部分的承载部位可以按照需求进行配置。 HULC总重32千克，其动力源为两块总重量为3.6千克的锂聚合物电池。在一次充满电后，可保证穿戴者以每小时4.8公里的速度背负90千克重物连续行进一个小时。穿着HULC系统的冲刺速度，则可达到16公里/小时。 HULC的高度可以调节，使身高1.6—1.85米的士兵都可以穿戴，而且非常便利。穿戴时，士兵只需将腿伸进靴子下方的足床，而后用皮带绑住腿部、腰部以及肩部即可。脱下“金属骨骼”也很容易，只需30秒。 XOS 2007年夏，美国国防部高级研究计划局开始进行新型机械外骨骼系统的招标工作，萨柯斯高新技术研究公司设计的XOS完全机械外骨骼系统项目方案从14个其他公司类似项目中脱颖而出。中标不久后，萨柯斯公司被美国著名的国防部承包商雷神公司收购。经过近两年技术攻关，2010年初，雷神公司推出第一款XOS 1机械外骨骼系统，同年9月研制成功了改进型XOS 2外骨骼系统，并强调这种装备与《钢铁侠》系列电影中的钢铁盔甲能力相似。当年，时代杂志将这一装备评选为2010年“最具震慑力”的发明。 XOS与HULC差别比较大，几乎将整个人体包入XOS内；XOS是目前最先进的人体外骨骼，其在提升重物和四肢的控制精度上要比HULC出色。 XOS 2可以使单兵的工作速度加快，工作时间延长，工作能力提高了1到2倍。XOS 2可以轻松进行踢足球和击打沙袋等灵巧动作，而且右手的吊钩可以击穿墙壁。 目前，XOS 2主要有两种型号：一种是“战斗型”，只包括外骨骼的腿部和腰部附件，与HULC类似；另一种是“后勤型”，具备完整的身形。 面临的挑战 ?尽管美国已经研制成功多种型号的外骨骼装备并已少量装备部队进行测试，但离广泛投入战场实用还有一定距离。主要是耐用性、可靠性、控制精度等一系列技术难题还有待攻克。 耐用性不足。目前的外骨骼装备多由便携式电池提供动力，单次充电的使用时间普遍偏短。一旦失去动力，整个系统即是一堆废铁。 可靠性不够。多数外骨骼装备都采用液压系统，在野战条件下，液压油路较易发生故障，且故障很难在原地排除。