中科院研製成功軍用外骨骼 後續朝野戰全身型精進

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中科院自2020年起,在國防部的支持下,進行軍用外骨骼系統技術開發,以滿足國軍作戰需求;技術開發期間,參考世界各國軍用外骨骼技術規格,順利研發出「重量輕、反應速度快、扭力大、荷重能力強」的我國軍用野戰型及荷重型2款動力外骨骼系統。

軍用外骨骼進行測試。(圖/中科院)

中科院所開發的軍用動力外骨骼須配合兵種任務,針對步兵及砲兵來配備不同構型的外骨骼,2020至2023年陸續開發出2款軍用動力外骨骼,分別是野戰型及荷重型。野戰型外骨骼為一款下肢型膝關節動力外骨骼,可協助步兵野戰行軍、傷患背負為主;荷重型外骨骼除原本的膝關節,還增加了髖關節動力輔助,適合協助砲兵駐鋤移動、砲彈搬運、後勤搬運重物等,亦於2023年9月台北航太展成功展出。

中科院在研發軍用外骨骼過程中,會先進行人因效益量測指標的研究,在人體及外骨骼裝備上貼光點,來捕捉人體動作,再匯入模擬環境,進行外骨骼動作相關性解析,藉以輔助外骨骼系統設計。

野戰型軍用外骨骼。(圖/中科院)

外骨骼穿戴在身上,因此必須考量「人因工程」,如尺寸必須配合身型,輔力必須符合人體步態的運動學與動力學等,不但能提高人員工作或其他活動的成效,如增加方便性、生產力,減少失誤;其次,提升操作人福祉與價值,像是確保安全、減輕壓力與疲勞、增加舒適等功能。

中科院所開發的外骨骼主要為軍用型外骨骼,需具備反應速度快、扭力大等特性,可應用於多種軍事情境,因此在技術層次上挑戰極大。

荷重型軍用外骨骼。(圖/中科院)

軍用外骨骼區分3大分系統,分別為結構分系統、控制分系統、電源及人機整合測試驗證。其中結構分系統,包括機構、結構設計,因應上肢肩關節、肘關節、髖關節、膝關節全身多維自由度需求,進行複雜(膝+髖+肩+肘)機構設計是技術重點。

軍用外骨骼躲避障礙物測試。(圖/中科院)

控制分系統,包括控制軟硬體及外骨骼核心的控制演算法,以及馬達伺服開發,穿戴者全身型意圖估測與追隨與多馬達同步控制是技術重點。

電源及人機整合測試驗證,負責電池模組開發、機電測試與人機整合,其中次世代電池模組設計技術,動力電池模組採熱插拔形式設計,並改良採用次世代高能量密度固態電芯,除兼顧系統使用時間,亦大幅提高供電安全性。在人因評測上,中科院嚴格要求各種地形及各種動作,例如在躲避障礙物(如繞行、跨越、閃避)、地形地貌適應力(如礫石地、上/下坡)等測項靈活度是否優良,及是否有干涉問題。

中科院所研發的外骨骼在重量、續航力、扭力、反應速度各方面毫不遜色,其性能可同時滿足輕量化、高負載以及高機動性的特性,有效減輕軍事人員體力負荷,並提升國軍戰鬥能力。

中科院表示,2024年起軍用動力外骨骼新增肩、肘關節動力輔助功能,進行野戰全身型系統開發,所增加的上肢動力輔助抬舉,可執行諸如戰機飛彈彈藥掛載、直升機蒙皮蓋板拆除/機內頂艙部位檢修、陸軍戰甲砲車底盤部位檢修等,需長時間手部抬舉作業的任務。

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