来源；高端装备发展研究中心
随着科学技术的飞速发展，战争形态已经从机械化迈向信息化。近年来人工智能、大数据、云计算迅速崛起，未来战争必将由信息化转向智能化。战场形态越来越趋近小型化、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。
外骨骼机器人是模仿生物界外骨骼而提出的一种新型机电一体化装置，结合传感、控制、信息融合、移动计算等机器人技术，在为穿戴者提供诸如保护、身体支撑等功能的基础上，还能够在穿戴者的控制下完成一定的功能和任务。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。
外骨骼机器人示意图
外骨骼机器人结构
外骨骼机器人主要包括机械外框架、感知系统、控制系统、通信计算系统、执行机构和能源动力6大部件。其工作原理一般为：根据仿生学、动力学等原理，设计机械机构组成外骨骼框架；在人体和外骨骼系统中安防各种传感器，如在关节部位安装角度传感器，在足底等支撑位置安装压力传感器，在人体皮肤上安装生理信号传感器，实时感知人体的运动信息和生理信息；传输到嵌入式计算机中，计算机综合各传感信息，并通过相应的感知和预测算法，感知人体姿态并对运动做出预测；控制系统综合各种信息，将之转化为控制参数，驱动外骨骼框架运动，实时追踪人体运动并对人体运动提供高效的助力。最终能达到人机一体化。
外骨骼机器人结构示意图
外骨骼机器人发展历程
国外从20世纪60年代就开始对外骨骼助力机器人技术进行研究，早期的代表如美国康奈尔航空实验室的Man-Amplifier外骨骼，以及美国通用电气公司的Hardiman外骨骼。由于受到传感、计算机、控制及能源等技术的限制，未能有实际应用和进展。
美国国防高级研究计划局（DARPA）在2000年启动了“增强人体体能外骨骼（EHPA）”计划，将外骨骼机器人的研究推向高潮。目前典型的外骨骼机器人包括美国的第二代XOS全身外骨骼、人体负重外骨骼（HULC）、“超柔”（SuperFlex）机械外骨骼、“Soft Exosuit”外骨骼、MAXFAS的手臂外骨骼系统、MIT外骨骼、BLEEX外骨骼系统、英国“矫正负重辅助装置”、法国“大力神”可穿戴外骨骼、意大利“V-盾”第一代人体脊柱外骨骼、澳大利亚新型被动式可穿戴外骨骼等。
第二代XOS全身外骨骼是美国雷神公司开发的外骨骼装置，由一系列结构、传感器、传动装置以及控制器构成。XOS2外骨骼自重95kg，可抓举90kg的重物，行走速度为5km/h。其中每条腿有7个自由度，髋关节、膝关节和踝关节屈曲/伸展由液压驱动。穿着者能灵活运动，可以进行诸如俯卧撑、爬楼梯、踢足球等复杂运动。但它最大的缺陷就是要拖着一条外接电缆。而自带电池只够使用40分钟，所以还需要解决的问题还有很多。
“人体负重外骨骼”（简称HULC）是一种模仿人体结构特点设计的外穿型机械外骨骼。最初由洛克希德•马丁公司下属的伯克利仿生科技公司研制，目的是使士兵能够背负大约90公斤重物，以10千米/小时的速度在多种地形中行进。HULC既能够使士兵完成爬行、深蹲、提举重物等一系列动作，又可减少士兵因提举较重战斗载荷而引发的肌肉骨骼损伤。
“人体负重外骨骼”（简称HULC）
“超柔”（Super Flex）机械外骨骼是SRI国际公司为满足美国国防高级研究计划局（DARPA）“勇士织衣”项目的需求而研制的。Super Flex样衣集成有用于监测的生物传感器和计算机、电池、驱动与控制装置、运动跟踪传感器等，采用运动预测与性能增强算法，可预判穿戴者的运动，从而在精确时间内根据需求开启外骨骼。因此和始终需要开启或驱动的外骨骼相比，它的电池能使用更久。
“超柔”（Super Flex）机械外骨骼
2013年美国哈佛大学仿生设计实验室设计出第一代柔性外骨骼Soft Exosuit，驱动采用了McKibben型气动肌肉。随后在美国DARPA的“勇士织衣”项目的资助下，研制了第二代Soft Exosuit，其设计了一种更加符合人体工程学、适于穿戴的新型轻质、弹性纺织带。Soft Exosuit与传统刚性外骨骼不同，没有刚性元件，这种柔性设计不仅能够使穿戴者的下肢摆脱刚性外骨骼硬性约束，而且更加轻便，质量仅为12.15kg，在运动过程中也能让外骨骼对人体运动的干涉最小化。
“Soft Exosuit”外骨骼“机器衣”
MAXFAS的手臂外骨骼系统全称为“枪械瞄准稳定用手部机动外骨骼”，主要目的是能在士兵手持武器开火时，自动稳定士兵的手部。MAXFAS目前是一种概念验证设置，是一种由轻金属和碳复合材料制成的机电臂外骨骼。MAXFAS是一个带有电机的大型机架，外骨骼在实验室中与电机连接，并连接到电源。MAXFAS自带加速度计和陀螺仪，并通过魔术贴接在士兵的前臂和上臂上。这些仪器能探测到士兵手臂最微小的动作，然后将资料传输给处理器芯片，一个算法将数据分析并分辨出自主和非自主动作。接着，MAXFAS的绳索网络系统将拉动士兵的手臂，对士兵的不自主动作导致的偏移进行修正。
MAXFAS的手臂外骨骼系统
MIT外骨骼是美国麻省理工学院在DARPA的“增强人体体能外骨骼（EHPA）”计划的资助下研制了一款外骨骼，可负重36kg，其髋关节屈曲/伸展由串联弹性驱动器（SEA）驱动，膝关节屈曲/伸展由磁流变阻尼器被动驱动，踝关节屈曲/伸展装有弹簧。
MIT外骨骼
BLEEX外骨骼系统是伯克利大学设计研发的，主要由燃料供给及发动机系统、控制及检测系统、液压传动系统及外骨骼机构等构成，通过传动带将自身的腿与机械外骨骼的腿相连，背上要背一个装有发动机、控制系统的背包，穿戴者进行运动的时候，位于腿部的传感器会搜集运动信号，并实时做出反应，通过液压系统为外骨骼系统提供动力，从而达到运动辅助的功能。
BLEEX外骨骼系统
英国BAE系统公司“矫正负重辅助装置”采用铝和碳纤维复合材料制成，包括一副与士兵背包和靴子相连的机械腿，可帮助士兵分担背包负重，系统总重8千克（不含电池），已达6级技术成熟度。意大利“V-盾”第一代人体脊柱外骨骼配有部分电动调节致动器，可将人体肩部重量转移至腿部肌肉，以减少压力并增强潜在负重能力。
法国“大力神”可穿戴式外骨骼项目由武器装备总署制定，多家公司联合研制一种能够帮助穿戴者运送较重载荷的外骨骼。这种外骨骼能够辅助士兵并增强其在战场上的负重能力和持久作战能力。“大力神”外骨骼主要由机械腿（结合有机械装置、计算机和电子装置）和背部支撑架组成，使穿戴者能够轻松背负重物。该外骨骼配装的机械臂可以使穿戴者能够搬运重物。
“大力神”外骨骼应用图
澳大利亚国防部研制出一种新型被动式可穿戴外骨骼，能将士兵负重的2/3直接转移至地面。相较于美国等国家研发的可穿戴外骨骼技术，澳大利亚的被动式可穿戴外骨骼研制成本较低，重量不到3千克，配有两条简易鲍登线（即能够在独立外壳内移动的钢缆）。鲍登线通常用于提供一种拉力（如摩托车的离合器），由于这些缆线的外壳能够起到固定作用，防止缆线发生卷曲，使其还能提供一种推力（如舰船的转向控制）。正是借助这一特性，被动式可穿戴外骨骼才能将负重从背包转移至地面。另外，这些缆线是柔性的，能够随穿戴者弯曲，不会妨碍穿戴者的动作范围。如果不需要这些缆线，还可以简单拆卸并放入背包携行。
项目总结
外骨骼机器人是未来智能化战争的研究重点，各国都投入大量人力物力财力以求研制出性能优越、续航能力强、人机协同度高的产品。我国在该领域同样取得了一些成就，中国兵器集团某研究所研制的外骨骼系统在背负35kg的情况下，平地步速4.5km/h，平地行走续航里程20km。未来我国应在电池技术、人机交互技术、安全防护技术、数据计算技术等方面继续深入研究，争取在该领域占得先机。
主要参考文献：
1外骨骼助力机器人研究现状与关键技术分析_周加永
2多关节外骨骼助力机器人发展现状及关键技术分析_宋遒志
3单兵外骨骼装备技术简介_葛水平
4可穿戴外骨骼机器人的发展现状与应用研究_张佳林
5军用智能可穿戴设备发展综述_王海龙
6国外军用可穿戴装备发展探析_卫锦萍
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