高温矿井下动力外骨骼功能定义及设计实践

中国矿业大学 闵烨

在许多科幻电影中出现过动力外骨骼的身影，如今它早已步入我们的现实生活中。动力外骨骼又称作机械外骨骼、动力服等，是仿照昆虫的外骨骼以及人体骨骼而设计的附着于人体外部的智能设备，集成了信息感知、信息融合和智能控制等技术，通过提供额外的动力来增强人体机能，将机器的力量与人结合[1]。高温矿井下环境复杂，热害以及塌方危险威胁着工人的生命健康与生产安全。通过对动力外骨骼增加防护功能以及改良，可以提高工人的工作效率并保护其人身安全。

1 动力外骨骼发展现状及应用

目前动力外骨骼的主要应用领域有医疗康复与工业生产等。许多外骨骼系统中加入了人体检测以及治疗功能[2]，可对穿戴者的身体状态以及生理参数进行实时监测以及反馈。

外骨骼在医疗领域主要用于运动功能障碍患者的肢体康复训练以及日常的运动辅助。用于医疗的外骨骼主要为下肢外骨骼，通过外骨骼辅助步行是一种帮助下肢运动功能障碍患者步行训练的新手段[3]，外骨骼可以为患者下肢提供支撑以及助力，使患者借助外骨骼重新恢复运动能力。目前较成功的康复外骨骼是以色列埃尔格医学技术公司研制的Rewalk 康复下肢外骨骼，患者可以通过智能拐杖来控制外骨骼，完成起身、行走等动作[4]。在人口老龄化日益严重的趋势下，外骨骼也更加广泛地应用于老年人日常生活的辅助中。柔性外骨骼可以日常穿戴，是应用较广泛的老年人辅助设备。例如腰部柔性外骨骼通过腰部助力的方式弥补老年人的肌力差，帮助瘫痪及活动不便的老人进行翻身、起身等动作[5]。

目前工业生产所使用的外骨骼主要用于生产车间、装配车间等一些需要强度较大的体力劳动的生产场所。据工作基金会联盟的统计，生产工人经常一天需要提起总重达10 公斤的物体，欧盟约有四千四百万工人患有因工作引发的肌肉骨骼疾病。工业外骨骼的优势在于不需要对现有的场景和设备进行改造，结合人自身的柔性和刚性帮助佩戴者完成一些动作，使工人完成单靠人体力量无法完成的高强度作业，还不会产生过多的疲劳，同时也保护了工人的关节不受损害，可以有效地提高生产效率。例如，欧盟Robo-Mate 项目的研究人员开发出一种外骨骼，工人穿戴它进行搬运、抬举重物时身体所负荷的重量只有实际重量的十分之一，可大大减轻工人搬运物品时的体力消耗。

2 高温矿井环境及个体防护技术

2.1 高温矿井环境

随着对矿产资源需要的进一步增加，越来越多大功率开采设备投入到井下作业，矿井的开采深度也不断增加，导致矿井下高温热害更加严重[6]。高温矿井下环境最突出的特点就是高温高湿。矿井下的空间较为封闭，热量难以及时散出，导致矿井下环境长时间保持高温高湿的状态。矿井热害是指井下风流的温度、湿度、风速达到一定状态后，人体散热困难，感到闷热，进而出现大汗不止、体温升高、头昏、虚脱等中暑症状甚至死亡的矿井自然灾害[7]。矿井热害的主要来源是地热、机电设备以及其他热源。矿井热害严重威胁着井下作业的进行和矿工的生命安全，并会造成严重的经济损失。

高温环境会加速人的身体代谢，导致大量排汗、排尿，增加身体的疲劳以及导致脱水。井下高温环境下会使人产生高温应激，影响人体内分泌系统以及神经系统的正常运作，导致身体不适、运动能力下降等一系列症状，甚至可能会对生命安全产生威胁。井下高温环境不仅会对工人的身体造成危害，也会对工人心理造成一定的影响。长时间处于封闭且高温高湿的矿井下，很容易产生焦躁、抑郁、紧张等一系列负面情绪，如果不加以正确的疏导，容易造成心理问题或精神疾病。人的心理对生理具有反作用，当工人的心理处于不稳定的状态时，也会影响到身体机能。另外在高温高湿环境下人的注意力难以集中，思维迟钝，容易犯困，会增加操作失误和事故的产生。

2.2 高温矿井个体防护技术

矿工在矿井热害环境（高温、高湿、高粉尘）下，通过个人防护技术，有效地隔离热害对矿工的影响，矿工才能高效、安全地工作。应以人机工程学、防护服装功能学、生理学为指导，解决高温矿井下个人防护技术问题，从而设计出适合矿井高温环境下的个人防护装备。高温环境下的防护装备具有以下特性：

2.2.1 阻燃性

部分矿井下存在可燃气体，易产生燃烧、爆炸等危险，防护装备首先应该具有良好的阻燃性，在火情下不易发生燃烧，成为保护穿戴者身体的第一道防线。

2.2.2 隔热性

对于高温矿井下的防护装备，隔热性是重要的特性之一。矿井工人长时间处于高温环境下，外界热量以热对流、热辐射和热传导至人体，使人体温度过高，对人体产生伤害。具有隔热性的防护服会将外界高温环境与人体阻隔开来，使外界热量难以与人体表面接触，以此来保证穿戴者可以长时间在高温环境下进行施工作业。

2.2.3 完整性

完整性是指热防护服在高温下能够保持织物原有的外观形态，且防护性能保持稳定。完整性要求防护服具有一定的韧性和抗穿刺性，不会在使用过程中产生破裂，导致外界热量进入防护服内部，影响防护性能。

2.2.4 舒适性

高温环境下的防护装备应具有轻便、有弹性、穿着舒适等特点。工人需要穿着防护装备进行长时间、高强度的工作，如果装备穿着的舒适度不达标，会影响工人的心情以及工作精度，同时也会引起身体的不适，增加疲劳感等。另外，长时间处于复杂环境，装备还应具有一定的耐用性，包括耐腐蚀、耐磨等特点。

目前常见的个人高温防护降温服，是在防护服的基础上增加冷却系统，通过冷却系统吸收人体产热量，使人体在穿防护服的期间不至于因蓄存过多热量而中暑[8]。热防护服装的冷却方法有蒸发冷却法、液体冷却法、冰包法和相变材料冷却法。液体冷却服装中，在微泵的帮助下，冷却液体在管道中通过服装与皮肤接触循环，起到降温效果。矿用高温个体防护技术装备有矿用降温服、矿用降温帽等。矿用降温服前后部外侧各设有降温袋，采用了相变蓄冷材料作为核心部件[7]。降温服相对于传统的隔热服具有更好的穿戴效果，舒适性也大大提高。可根据降温服原理在动力外骨骼上加入冷却系统，为人体提供降温，从而增强对高温的防护。

3 高温矿井下动力外骨骼的功能定义

3.1 适应高温环境作业

高温矿井下使用的动力外骨骼，重要的一点就是适应高温环境的作业，这要求在其材料、能源、运作方式以及外形各个方面都要考虑高温环境的影响。高温高湿的环境会对金属材料的性能产生一定的影响，可能会减低金属的强度和使用寿命。为了防止外骨骼因井下高温产生形变影响运作，应采用耐高温、耐腐蚀的材料。此外，高温环境对电机、传感器等部件的性能和安全也会产生影响，要确保重要电子部件不受高温侵害。对能源的保护也是需要考虑的重要因素。动力外骨骼按动力来源分为有源和无源两种，用于工业生产的外骨骼多为有源动力外骨骼。目前外骨骼的能源基本是电池组，高温对电池的性能、寿命、安全都有着不可忽视的影响。长时间在高温环境下使用会降低电池的性能及寿命，甚至会使电池产生膨胀、爆炸等危险。所以高温矿井下的外骨骼电池仓要具有良好的隔热性和散热，外部使用隔热材料与热环境隔离，内部具有降温和散热功能，避免电池长时间处于高温状态，确保电池的正常运行。

碳纤维是由碳元素组成的一种特种纤维，具有强度高、质量轻、耐高温、抗摩擦及耐腐蚀等特性，被誉为“新材料之王”。碳纤维耐高温，常被用于机车的排气外壳或防烫罩。碳纤维材料质量较轻，相同强度时碳纤维与钢的重量比约为1：43，常用于航天设备及跑车轻量化套件的制造。使用碳纤维复合材料替代外骨骼支架部分的金属材料，可以有效增加外骨骼整体的耐热性，大大减轻装备质量，做到轻量化。对于无法用碳纤维替代的部件可以采用包碳工艺做隔热处理。

3.2 个体防护功能

高温矿井下的环境复杂，热害和局部塌方、碎石掉落等随时危害着工人的生命安全。外骨骼除了基本的助力功能外，还应具有一定的防护功能，包括对高温的防护及对意外伤害的防护。

对于高温的防护可以参考矿用降温服的原理，在前胸、后背等部位加入冷却系统，对人体进行降温，或在局部位置增加风扇进行散热。可以采用智能降温系统，根据环境自动判断降温等级，当温度略高时开启风扇进行散热及降温，当温度过高时开启冷却系统进行快速降温，更好地应对不同的温度变化，合理控制能源的消耗，达到更长的续航时间。

由于矿井下环境的不稳定性，会发生局部塌方和碎石掉落的情况。这就要求外骨骼可以对工人的身体起到保护作用，降低伤害，提高在危险发生时的存活率。应在外骨骼胸部、背部、肩部处增加护甲，在发生危险时可以有效保护重要身体部位。同时也可以在作业中对外骨骼本身起到保护作用，例如作业时工人不慎摔倒，护甲可以降低摔倒对身体的伤害，也可以减少设备的损坏。在施工作业时工人的关节容易受到伤害，应在肘部、膝盖处、小腿处增加柔性保护措施，在不影响灵活度的情况下防止工作中的意外伤害。

3.3 智能辅助系统

矿井下使用的外骨骼要比普通工业生产中使用的外骨骼具有更加完善和复杂的智能系统。外骨骼智能系统不仅要对工人的行动做出分析，使机械的运动与人体达到一致，还需要增加一些相应的功能对井下作业进行辅助。

3.3.1 环境检测功能

由于高温矿井下的环境复杂，仅靠人的经验和感官很难精确判断环境中存在的问题和危险。需要通过智能环境检测，实时分析环境，发现环境中存在或潜在的危险。例如检测到当前环境中存在有害气体时会发出提醒，并启动相应的防护措施。

3.3.2 身体状况监测功能

在高温高湿的矿井环境下，人体可能会产生一系列不适的反应，外骨骼可以实时监测工人的生理参数及身体状态，通过后台计算进行评估和反馈。当监测系统发现人体状态发生异常时，会及时提醒穿戴者进行调整或治疗，并将信息发送至管理部门做好相关救助准备。对穿戴者实时进行生理数据监测，可以有效预防工人身体健康出现异常。

3.3.3 定位及急救功能

井下工人在工作中需要搬运或操作一些大型设备，操作不当或失误可能会受伤，身上所穿戴的外骨骼装备应提供治疗和救助的用品。通过装备医疗包和智能系统的结合，语音输入伤情，系统根据所携带的医疗用品提供最优的急救方案，可以在最短的时间内进行初步救治。同时系统会将现场情况以及伤者情况传送到后台，根据伤势通知医疗人员待命或前来救治。矿井下环境复杂，矿道交织，当发生严重的事故或塌方时，救援工作难度很大。救援人员可以通过外骨骼的定位系统精确定位穿戴者位置，并与外骨骼系统进行连接，随时监测穿戴者的生命体征，为救援工作提供方便。

4 高温矿井下动力外骨骼设计实践

4.1 设计原则

4.1.1 功能性原则

作为辅助设备的外骨骼，最重要的就是它的功能性，除了基础的助力功能外还要具有其他矿井环境下需要的辅助功能，并且要确保设备在高温环境下可以正常发挥其各项功能。

4.1.2 安全性原则

安全性包括设备不会对穿戴者造成伤害，以及可以保护穿戴者免受外界伤害。在原型阶段就要对设备进行全面的安全性测试。

4.1.3 舒适性原则

外骨骼要符合人机工程学，贴合穿戴者的身体，尽量避免穿着的异物感，不影响穿戴者的正常活动。与人体表面接触的部分要采用柔性材料，提高穿戴的舒适度。要具有可调节功能，根据佩戴者的体型进行自由调节。

4.1.4 耐用性原则

由于矿井下环境复杂，热害和腐蚀性气体都会对设备造成一定的损害，要确保设备具有耐热性和耐腐蚀性，可以长时间在复杂环境下运行。

4.2 功能设计

利用防护降温服的原理，在外骨骼上加入冷却装置以及防护装置，具有防热降温功能，可减少矿井热害对矿井工人的伤害。同时运用耐热材料，保证设备在高温环境下的正常运作。外骨骼配备了射灯、模块化工具包以及医疗包。高穿透性射灯，可以多角度、多方位提供照明及应急光源；模块化工具包可以根据施工作业所需进行组合，安装在外骨骼的装备槽中；医疗包内装有紧急治疗所需的医疗用品，并可以通过智能系统推荐最佳治疗方案。采用碳纤维复合材料，具有良好的耐高温和散热性，强度大，重量轻，有利于装备的轻量化及耐用性。搭载智能系统，具有环境监测、人体状态监测、紧急治疗等功能，可通过语音或位于小臂处的智能终端进行操作。

4.3 造型设计

造型方面根据人体解剖学仿照人体骨骼与肌肉的分布进行设计，外形酷似人体骨架，可以更好地贴合人体外部轮廓。整体视觉感受具有机械感和灵活性，与普通工业用外骨骼造型有明显区别。采用轻量化设计，在较大的零件上进行镂空，在局部易受伤部位增加护甲，在不影响灵活性的前提下增加保护。颜色采用碳纤维原色与橙色搭配，碳纤维纹理具有科技感与高级感，无须额外上色便是一种美观的表面纹理。橙色具有鲜明的提示性，与碳纤维材质形成鲜明的对比，使穿戴者在井下更容易被看到，同时橙色与黑色的搭配具有工业风格，可以很明显地看出是一件工业装备。整体造型和细节如图1、图2 所示。

图1 外骨骼整体造型

图2 外骨骼细节展示

5 结语

文章通过对高温矿井下的动力外骨骼进行功能定义和设计实践，探索了未来矿井下外骨骼设备应用的可能。给矿井工人装备动力外骨骼可以有效地提高工作效率，降低工人工作的体力消耗和疲劳，保障工人安全，对工业生产和工人安全方面具有一定的意义。目前动力外骨骼尚存在许多技术性问题，但随着科技的发展和智能化的不断提高，外骨骼将不再局限于目前的应用领域，使更多人能够享受到科技发展带来的红利。