基于拓扑优化的军用单兵外骨骼装备设计研究

张帆，高越,2，巩超

（1.北京理工大学，北京 100081；2.河北民族师范学院，河北 承德 067000）

现代战争在科技发展的加持下已从信息化时代进入数字化时代，军事装备也随着技术进步而不断演变更新。在现代战争日趋局部化、复杂化和智能化的背景下，对士兵个体作战能力的要求也日益提高。就单兵作战能力来说，除了杀伤能力外，对各种特殊战场环境的适应力和作战效能也是极为重要的衡量指标。因此，能够增强综合作战能力的单兵装备就成为当下研究的重要方向，其中单兵外骨骼被各国军事装备研究者所关注。而外骨骼装备的工业设计对其作战效能、适应性和推广应用有着很大的影响，因此有必要对外骨骼装备的设计进行系统地分析和研究。拓扑优化作为一种结构优化设计方法在工程设计领域有着广泛的应用，而在工业设计领域，拓扑优化也具备良好的应用前景和广阔的施展空间。在外骨骼这类形态结构与功能高度整合的特种装备设计上，拓扑优化方法的应用具有很高的开发潜力和研究价值。

1 军用外骨骼设计研究综述

1.1 国内外军用外骨骼设计研究现状

国内外对于军用外骨骼的研究积累在时间上有较大差距。欧美国家自20世纪中后期就已经开始了针对工业和军事领域的外骨骼研究，且设计并制造了种类繁多的样机；国内研究者关注外骨骼相关技术和设计则始于2000年以后，初期研究主要以康复医疗领域为主，后向军工领域拓展[1]。

Mudie K等[2]对外骨骼装备尚未在实战中广泛应用的原因进行了分析，认为现有大部分研究过于关注外骨骼某项特定性能的提升而忽视了应对复杂环境的整体效能；提出军用外骨骼应基于多性能指标平衡和多任务协同的前提来进行设计。Mudie K L等[3]还提出了用于评估军用外骨骼的标准框架，以便对人穿戴外骨骼的反应和每个阶段的设备机械性能进行整体评估。Bryan等[4]提出了一种髋关节–膝关节–踝关节外骨骼模拟器，用来测试具有高扭矩和高功率组件的多关节助力策略；使用这种外骨骼模拟器发现的策略将提高人体机动性，还可以探索更高扭矩的应用，例如短跑和跳跃；该研究为外骨骼设计提供大量信息，具有较强的前瞻性。Proud等[5]综述了1990年至2019年的67个独立研究并制作了发展状况信息数据列表；提出要将外骨骼引入军事环境，需要对现有技术进行重大调整或定制军事专用装备。

张峻霞等人基于人机工程学和人体步态运动规律提出一种髋关节外骨骼的结构设计方法。确定了该外骨骼结构的自由度数、运动副设置等关键信息，基于以上内容进行详细设计，建立了虚拟样机模型[6]。宋鹏等[7]为提高军用外骨骼无滞后运动跟随性能，设计了一种基于姿态传感器和薄膜压力传感器的外骨骼传感系统，并提出了一种基于BP神经网络的步态识别方法。杨灿军等[8]设计了柔性可穿戴式膝关节保护外骨骼，用于实现人体运动过程中膝关节负载减重及行走助力功能，并在此基础上配套设计行走助力模块。2019年，重庆牛迪科技在“超能勇士—2019”单兵外骨骼系统挑战赛中推出新一代普力负重外骨骼系统，该系统实现了背部负载的高效卸力，增强人体负载能力，通过快拆机构设计实现单人快速穿戴和脱卸外骨骼。目前该系统已在一线部队中推广应用，为后勤保障、医疗和边境守备等多种实战场景提供了助力[9]。余从刚等[10]针对腰部助力外骨骼机器人穿戴过程繁琐、身体感受不良、交互体验不佳等舒适性因素，提出一种舒适性分析评估方法和设计提升方案；通过人因模拟的方式对腰部外骨骼机器人进行舒适性提升设计。

1.2 军用外骨骼设计研究重点方向

1.2.1 人机协调设计。

外骨骼机动技术是囊括了传感器、执行器和控制器的综合技术体系。在万方数据库的学术发表统计中，以外骨骼设计为关键词的研究有45%都来自机器人研究领域，现有主动式外骨骼装备的机动技术大部分来源于机器人技术。但从目前研究成果来看，机器人工程技术体系并没有完美迁移到外骨骼领域中，其原因在于，机器人的运动只需要实现预期机动效果，对机动方式没有严格的限制，而外骨骼装备机动能力的核心是对人体自身运动的辅助和增强，需要严格符合人体工学要求。现有的机动技术在复杂精细动作上，尚不能达到人体自身水平[11]。对于主动式外骨骼装备来说，降低运动反馈时延则需要从传感效率和运动模式学习等方面入手，结合脑电控制、人工智能等方式来改善随动反馈和助力性能[12]。而对于被动式外骨骼装备，其助力机构通常采用弹性储能助力设计[13]，对穿戴者自身运动的影响主要来自储能的做功过程和机械结构的阻尼。

无论对于主动式还是被动式外骨骼装备，运动机构与人体结构、运动方式的紧密配合都是重要设计点。符合人体工学标准的外骨骼结构可以有效降低装备对人体自身运动的不利影响和使用装备的学习成本，提高装备穿戴的舒适性和使用效率。外骨骼装备的运动机构设计可参考《GB/T 10000—1988中国成年人人体尺寸》[14]，以18～25周岁男性第50百分位为基准，并针对军人的着装和近年来人群身高增长设定修正量。

针对士兵在不同环境和作战科目下的运动状态，外骨骼装备应具备对应的反馈和助力模式，从而提高装备适应性和能量利用率。通过分析人体在行走和奔跑时的步态可以了解外骨骼在这两种行为模式下工作方式的不同性能要求。人的行走步态和奔跑步态见图1—2。

图1 行走步态周期Fig.1 Walking gait cycle

图2 奔跑步态周期Fig.2 Running gait cycle

1.2.2 高比强度机身设计

外骨骼装备本身的重量对于使用者仍然是一项负载，外骨骼装备的自重越大，其助力效率就越低。外骨骼的动力输出模式会影响装备自重，使用电机、液压等方式驱动外骨骼需要使用大量金属材料，从而增加整个装备的重量。为了实现长期高强度的运转，构成外骨骼装备的材料应具有稳定的理化性能包括：耐疲劳、磨损、腐蚀，能够耐受频繁冲击和应力变化的严苛力学环境。因此，外骨骼装备通常采用高比强度的材料来进行制造，例如碳纤维、硼纤维复合材料和钛合金等轻质合金材料[9]。

同时，外骨骼装备的结构设计直接影响产品的性能和成本。近年来研究者越来越关注外骨骼装备的结构优化，例如，通过拓扑优化和生成式设计来制造具有轻量化结构的支撑组件[15]。因此，在保证装备强度和稳定性要求的基础上，外骨骼结构设计应尽量降低装备的自重，提高助力性能。轻量化设计需要使用高比强度材料和轻量化结构来配合实现，利用材料本身物理性能和结构设计，通过一体化组件来实现储能、助力、支撑等功能的整合。

2 军用外骨骼原型设计实验

本实验旨在探索如何使用拓扑优化方法在不降低机身力学性能条件下，实现良好的人机协调，减轻装备的自重，从而提高士兵穿戴外骨骼装备后的运动表现。与此同时，可以考察拓扑优化方法生成的形态结构是否可以兼顾可用性和美观性，实现外骨骼装备功能与形态的协调。

2.1 实验工具

本研究所用到的实验工具为工业设计软件和拓扑优化软件，见表1。

表1 实验软件Tab.1 Software used in the experiment

Rhinoceros具有良好的数字模型兼容性能，可以解决不同步骤模型数据的格式转换问题；Grasshopper提供了参数化设计环境和多种三维数据接口，实现了设计、测试与优化相整合的实验条件。

拓扑优化软件Ameba采用谢亿民[16]团队研发的双向渐进结构优化法（BESO），能够同时对拓扑单元进行删减和添加。Ameba提供免费的云计算资源，运算速度不受单机算力的限制，解决了拓扑优化过程的实时可视化问题。

2.2 实验方法

第1步，以《GB/T 15499—1995事故伤害损失工作日标准》中关节活动度数据[17]（见表2）确定外骨骼原型的运动机构自由度，在Rhinoceros中进行原始模型搭建。由于后续的优化设计工作需要在Mesh核心的拓扑优化算法环境中完成，所以需要将模型转换为多边形格式，这与常规设计流程中使用的曲面模型有所不同。

表2 关节活动度[17]Tab.2 The Range of Motion[17]

第2步，将原始模型的各个部件输入Grasshopper，获得可进行优化计算的参数化模型。

第3步，参数模型搭建完毕后，即可根据设计要求输入物理约束条件，进行有限元分析和拓扑优化。由于Ameba对有限元细分数量进行了限制（10 000个单元以下），为了获得最高优化精度，应对各个部件分别进行拓扑优化计算，计算过程见图3。

图3 拓扑优化过程Fig.3 Topological optimization process

第4步，对优化后的多边形模型进行曲面重建，获得可制造的数字模型，通过其与原始模型的体积比来评估优化效果。

2.3 实验数据分析

在奔跑状态下，人体竖直方向上所受冲量提供的加速度约为2.5倍重力加速度[18]，考虑到极端情况设定为3倍。以单兵负重上限25 kg为基准，本外骨骼装备所受到的最大过载为负重重力的3倍，即为735N，以此可以确定各部件受力极值。根据原型设计中负重的挂载位置和各部件的装配情况，力学约束条件数据见表3，各部件受力的矢量空间分布见图4。

图4 受力矢量分布（左、中、右分别为背部、腰部、腿部）Fig.4 Force vector distribution (left: dorsum,middle: waist, right: leg)

表3 部件力学约束条件数据Tab.3 Software used in the experiment

当优化过程迭代（Iteration）至50代后，体积分数（Volume Fraction）稳定在0.5，即可在原始参数模型基础上减重50%；经过多次拓扑优化测试，减重的极限比例可以达到62%。由于拓扑优化所生成的3D模型为多边形Mesh，其表面存在大量由拓扑计算产生的凹凸结构，无法进行批量化制造和后处理，所以需要对其进行重建，以修整其不规则表面。在Rhinoceros中对原型进行曲面重建后，外骨骼部件的减重比例见表4，优化结果对比见图5。完成拓扑优化后，整个外骨骼体积为3 784 cm3，若以密度1.8 g/cm3的碳纤维复合材料为主体材料，外骨骼整体质量可以控制在6.9 kg以内。

图5 原始模型（左）与优化模型对比（右）Fig.5 Comparison between original model(left) and optimized model (right)

表4 各部件减重比例Tab.4 Lightweight proportion of each module

实验表明：

1）在进行运动机构设计时需要对三维模型进行参数化转换才能进行拓扑优化，且在优化完成后要对多边形格式的模型进行曲面重建，增加了一定的设计步骤。

2）通过拓扑优化方法可以在不影响外骨骼装备整体性能的前提下大幅度降低装备的自重，在结构设计上具有明显的优势。虽然后续的结构重建抵消了部分减重效果，但装备原型部件的减重比例均超过了20%，这在结构紧凑的可穿戴型军用装备中具有显著的应用价值。

3）经过设计重建后，外骨骼装备的形态呈现为类似生物骨骼微孔结构的仿生设计形式，在满足功能要求的同时，也实现了形态设计的创新。

3 军用单兵外骨骼装备设计要素与对策

人在行走时，上身的能量消耗来自人体为了保持直立体态、支撑体重和负重所产生的持续性肌肉收缩，以躯干核心肌群的工作为主。身体重心高度波动较为平缓，势能变化很小，可利用的部分也就极少。此时可利用的机械能主要是由腿部以各关节为轴的复杂运动过程中肌肉收缩所产生的。因此，外骨骼的行走模式应以助力负重为主要设计目标，使外骨骼在跟随人体运动的同时保持一定的整体支撑性能。在行走步态下外骨骼的助力储能结构应能够收集各关节转动时的富余动能，在步态切换时进行释放。同时外骨骼应能够通过静力传递代替身体承担部分体重和外部负重，从而减轻人体负担。

人在奔跑时，重心高度波动大幅增加，步态切换的频率提高。由于摆腿幅度增加，此时人的支撑腿是在弯曲的情况下负重的。所以，在奔跑状态下外骨骼很难通过静力传递来分担重量，各关节处能够收集的主要是重力势能。外骨骼的奔跑模式应以助力运动为主要设计目标，通过储能结构收集人体运动时的富余动能，通过储能——释放的反复过程辅助运动，提高人在高强度运动时的耐力。

3.1 符合人体工学的运动机构与自由度设计

1）链式模块化背部支柱。利用类似人体脊椎的链式模块组合可有效解决外骨骼背部组件需要兼顾承重和活动功能的自由度设计需求。背部模块与腰髋

部模块通过人体接触侧的隐藏式铰链进行连接，背部支撑小件的结合方式与其相同。铰链连接可以提供躬身动作的自由度，同时能够实现背部挺直时的支撑。背部模块尺寸可以通过增减支撑小件数量来进行大幅调整，通过调节铰链固定螺丝位置进行微调。背部绑带位于背阔肌位置处的承重件上，与人体负重挂载位置接近。背部模块设计方案见图6。

图6 背部模块Fig.6 Dorsum module

2）万向接头式髋部关节。由于人体髋部运动涉及多个方向，利用万向接头可以解决外骨骼组件与肢体运动不同轴、不同心的实际问题，高度配合人体自由度，降低装备对人体运动的阻力。腰髋部模块包括腰部绑定件和髋部连接件，组件之间通过万向连接件相连。万向连接件能够在提供矢状面和冠状面自由度的同时承载背部负重。由于万向连接件为整个外骨骼产品中受力面积最小的部件，因此对其抗剪强度具有较高要求，一般考虑使用碳氮共渗处理的低碳合金钢或性能更优材料来进行制造。腰髋部模块设计方案见图7。

图7 腰髋部模块Fig.7 Waist and hip module

3）承重与助力一体化腿部模块。大腿部和小腿部模块功能统一，在静止时作为重力向下传递的支撑件，在运动时作为人体富余动能的驱动臂，彼此之间通过膝部储能关节相连。为了适配不同的人体尺寸，这两个模块通过可调节固定位置的碳纤维板条与腰髋部和脚部模块进行连接。腿部模块设计方案见图8。

图8 腿部模块Fig.8 Leg module

4）弹性储能式膝部关节。膝部关节为外骨骼的核心助力模块，通过人体行走奔跑时腿部肌肉作用于膝部的力和身体重力来驱动内置的储能结构，从而实现动能的储存和释放。膝部关节在矢状面上设计了自由度，其旋转轴可调节到与人体膝盖弯曲轴心一致的位置上，以便高效收集动能，更好地契合人体运动自由度。本原型采用涡卷弹簧作为储能部件，位于膝关节外侧，涡卷平面平行于矢状面。在人体跑动中，腿部弯曲增大，负载的重力会加载在人体和膝部关节模块上，随着重心的变化，一部分势能被涡卷弹簧回收。外骨骼组件与涡卷弹簧的联动可以通过拆装内部轴销来进行快速离合。当士兵需要进行复杂战术动作时能够解除助力部件的做功行程，从而实现运动模式的切换。膝部关节设计方案见图9。

图9 膝部关节Fig.9 Knee joint

5）可替换足部模块。足部模块主要用于承接其他模块传递下来的重力，并传导至地面。在辅助负重设计上，负载（行军背包）重心与足部模块地面支撑点的水平距离一般在100～200 mm，而负重挂载高度在1 400 mm左右。当人在站立和行走时，大部分负重经由足部模块进行支撑。由于人体在运动时足部频繁接受冲击，所以足部模块在设计时充分考虑了材料损耗，设计为易于拆装的可替换件。足部模块设计方案见图10。

图10 足部模块Fig.10 Foot module

3.2 基于拓扑优化的外骨骼形态设计

1）拓扑优化对象选择。在对外骨骼进行拓扑优化设计时，不宜将全部部件进行统一的优化计算。其原因在于，拓扑优化算法需要使用大量的计算资源，涉及部件越多，计算速度越慢。而且现有拓扑优化工具对计算精度都有一定的限制，对所有部件进行优化是对计算精度的浪费。对其他非核心零部件或体量较小的产品结构来说，进行优化反而会降低设计效率，提高制造成本。因此，比较高效的设计方法是先筛选产品需要进行优化设计的核心零部件，对其进行逐一的分析和计算，这样能够最大限度地利用拓扑计算资源，提高优化精度。

2）拓扑优化目标设定。明确优化设计的目标，准确设置优化参数。拓扑优化参数的设定需要根据不同的优化目标确定相应的极值，其限定维度是多元的，可以限定体积目标，也可以限定受力目标。在本研究中，外骨骼装备所受载荷数值远小于材料的屈服极限，因此通过体积分数作为拓扑优化目标，可以顺利实现轻量化的优化效果；而在某些体积不受限，受力状态较为极端的产品设计时，应以受力极值作为拓扑优化的首要目标。

3）拓扑优化设计流程。拓扑优化生成的计算结果可以清晰地呈现部件的力学特征，在概念设计阶段能够提供一定的造型设计参考。因此，拓扑优化在整个工业设计流程中不仅是一种设计优化和验证工程，也能够作为一种设计概念方案生成的辅助工具。引入拓扑优化的设计流程应该是迭代的、非线性的。

4）拓扑优化设计结果。对于外骨骼装备设计来说，人体工学可用性和力学性能是同等重要的。因此，外骨骼的造型设计需要与工程设计相结合，拓扑优化方法可以解决这个问题。但是，目前工程软件所包含的拓扑优化工具对工业设计流程并不友好，而适配工业设计软件的优化工具需要解决设计结果的重建问题，这给拓扑优化设计结果的制造带来了一定的限制。利用拓扑优化方法生成的结构部件很难通过传统减材制造方式进行批量化生产，而通过增材制造的方式可以处理更复杂的结构形态。增材制造技术是未来外骨骼装备制造的必要手段。与此同时，拓扑优化算法所形成的类似骨骼组织的仿生结构也为外骨骼装备的造型设计提供了一种新的设计思路与造型理念。外骨骼整机效果图见图11。

图11 外骨骼整机Fig.11 Overall unit of exoskeleton

4 结语

外骨骼装备一直是军工产品设计领域的研究热点，近年来随着智能控制、材料研发和制造工艺的进步，军用外骨骼的设计也有了新的进展。结合对外骨骼发展趋势和重点研究的分析，本研究归纳出了人机协调设计、高比强度形态设计两个设计重点方向。拓扑优化方法能够深度融入工业设计流程，从而实现外骨骼装备形态结构与人体工学运动机构的整合设计。与此同时，通过拓扑优化获得的设计方案在满足军用单兵外骨骼装备功能需求的同时，呈现出一种全新的形态设计风格。基于拓扑优化的设计方法为未来的军事装备工业设计提供了一种形态结构与功能高度契合的设计思路，具有重要参考价值和广泛应用前景。