（一）项目研究现状和意义（限1500字）

本项目研究的理论和实际应用价值，目前国内外研究的现状和趋势。

1.项目研究的理论与实际应用价值

在理论层面，基于人体运动学与解剖学建立下肢关节数学模型，系统研究外骨骼仿生设计机理，揭示自由度、关节运动与动态稳定性规律，提出仿生设计原则；基于仿生学分析几何适应与运动协调等兼容特性，提出变瞬心拟合柔性关节方案，采用平面多连杆机构补偿膝关节运动瞬心位移；围绕“人-机-环境”协同机制，探究人体特征、装备性能与环境相互影响，确立辐射防护人机工效优化原则；通过步态分析建立符合生物力学的运动模型，填补辐射防护领域人机运动匹配理论空白。

在应用层面，对接国家“十五五”战略及西北地区核工业需求，聚焦乏燃料后处理等场景，研发基于富氢屏蔽体的外骨骼辐射防护服，利用外骨骼支撑将防护服重量转移至地面，实现减重与高效屏蔽协同；项目将形成自主可控核心装备及自主知识产权，掌握关键设计方法与制造工艺，并通过优化几何适应、运动协调与载荷分布，结合温度调控与智能感知，提升穿戴舒适性与作业效能。

2.国内外研究现状与趋势

国际上，外骨骼技术的研究与应用已取得显著进展。在医疗防护领域，介入治疗作为一门融合医学影像学与临床治疗的交叉学科，其医生的工作时长显著增加，对防护装备的舒适性和助力功能提出了更高需求。以色列Stemrad公司^[1]推出的StemRad MD外骨骼防护服成为当前最先进的铅当量辐射防护系统之一。该系统主体由无铅材料围裙、专有外骨骼、专用吊架和防护面罩组成，通过融入人体外骨骼技术，显著减轻了介入医生在长时间手术中的身体负荷。其设计采用前沿的人体工学理念，使防护服重量由外骨骼全权承载，外骨骼结构在髋关节和膝关节处提供有效支撑，同时允许关节自由弯曲，确保了医生的灵活性与舒适度。穿戴方法为自下而上，确保稳固贴合。通过可穿戴惯性测量单元（IMU）传感器等设备收集的数据分析证实，StemRad MD在减轻医生工作负担、降低职业伤害风险方面具有积极作用。除医疗领域外，国外在核工业、应急救援等领域的外骨骼防护装备研究也持续活跃。美国、日本等国围绕小型模块化核反应堆屏蔽材料开展大量研究，开发出多种金属基、高分子基复合屏蔽材料，但普遍存在柔性与耐高温难以兼顾、加工适配性差或成本过高的问题。近年来，国外研究趋势转向柔性高分子基耐高温屏蔽材料与外骨骼结构的结合，重点探索不同基体与功能填料的组合方案，追求屏蔽、耐温、柔性及成本的平衡^[2]。

在国内，外骨骼防护服的研究稳步前行，致力于突破传统防护用具的功能局限。2020年初，中国运载火箭技术研究院北京精密机电控制设备研究所联合西南交通大学、兰州大学共同研制的“新型外照射防护服配套人体外骨骼装置”是我国首个核防护外骨骼^[3]。该装置可帮助穿戴者承担防护服90%以上的重量，显著提高工作效率，减少人员在辐射环境中的暴露时间，适用于核电站、应急救援等场景。其核心技术采用航天外骨骼技术，通过下肢助力系统使穿戴者能够轻松完成作业。

整体研究趋势显示，外骨骼辐射防护正朝着人机协同优化、轻量化高效能、智能化多功能方向发展，核心是解决外骨骼与屏蔽体的有机融合问题，实现减重减负与高效防护的统一^[4]。

参考文献：

[1] 谢哲东, 向美琦, 姜立民. 人体负重下肢助力机械外骨骼结构设计与运动学仿真[J]. 机械设计与制造, 2020, (10): 21-24.

[2] Yan Z, Han B, Du Z, et al. Development and testing of a wearable passive lower-limb support exoskeleton to support industrial workers[J]. Biocybernetics and Biomedical Engineering, 2021, 41(1): 221-238.

[3] 申慧敏, 葛瑞康, 葛迪, 等. 基于肩部协同运动特征的康复外骨骼设计与人机相容性分析[J]. 机械工程学报, 2022, 58(19): 34-44.

[4] Moeller T, Moehler F, Krell-Roesch J, et al. Use of lower limb exoskeletons as an assessment tool for human motor performance: a systematic review[J]. Sensors, 2023, 23(6): 3032.

（二）项目论证（限3000字）

1.研究目标和主要内容

1.1研究目标：

本项目以核工业物料操作人员负重难题为导向，旨在建立人体外骨骼结构与柔性屏蔽体的有机融合方法。基于人体运动学与仿生学原理，提出变瞬心拟合的柔性关节方案，实现外骨骼与人体运动高度协调，并研究接口相容性，形成“富氢屏蔽体+人体外骨骼”一体化设计。通过外骨骼支撑与助力功能将防护服重量转移至地面，显著降低负重感，突破辐射环境下灵活性、柔顺性与安全性等关键技术，实现装备轻量化。围绕“人-机-环境”协同机制，优化几何适应性、运动协调性与载荷分布特性，结合温控与智能感知功能，提升作业效能与长时间穿戴舒适性。

1.2主要内容：

（1）外骨骼多姿态运动特性研究。基于人体运动学与解剖学，建立人体运动关节数学模型，分析外骨骼仿生设计机理与机械设计指标，研究自由度、关节运动及动态稳定性，确立仿生设计原则。依据仿生学原理，探究外骨骼的几何适应、运动协调及力量流畅等兼容特性，形成柔性外骨骼关节设计方案。

（2）“人-机-环境”协同机制研究。研究人体特征、装备性能与作业环境的相互作用规律，确立外骨骼辐射防护的人体工效优化原则。分析外骨骼与屏蔽体的接口相容性与匹配关系，探索“富氢柔性屏蔽体+人体外骨骼”有机融合方法。

（3）外骨骼防护服装备化研究。针对不同场景辐射场特性，建立柔性屏蔽体与外骨骼结构的选择及优化方法，提出定制化与数字化设计方案。评估并固化外骨骼辐射防护服全寿命工艺流程，提升质量可靠性，拓展应用领域。

2.拟突破的重点和难点

2.1研究重点

（1）外骨骼多姿态运动协调性难题。针对人体关节运动瞬心轨迹非固定的特点，基于运动瞬心理论采用优化后的平面多连杆机构，以多铰接形式补偿人机交互引起的运动瞬心位移误差，实现外骨骼与人体运动的高度协调。

（2）“人-机-环境”系统协同优化与辐射环境适应性难题。需系统研究人体特征、装备性能与作业环境的耦合规律，突破外骨骼与屏蔽体之间的接口相容性，探索“富氢屏蔽体+人体外骨骼”有机融合方法；同时攻克外骨骼在辐射环境下的灵活性、柔顺性与安全性等关键技术。

（3）外骨骼轻量化与承载能力的平衡难题。在保证人体骨骼最大承重≥50 kg的前提下，需突破轻量化设计技术，采用高强度、低密度的钛合金、碳纤维等材料，优化结构形状和尺寸，实现防护体重量≤20 kg的目标。

2.2研究难点

（1）人机运动瞬心匹配难。人体膝关节运动瞬心轨迹非固定，传统单铰接结构难以拟合复杂运动，易导致错位和助力不足。本项目需突破变瞬心拟合的柔性关节设计，实现外骨骼与人体运动的高度协调。

（2）多系统协同集成难。外骨骼结构、柔性屏蔽体、温度调控与智能感知等多系统需有机融合，接口相容性与匹配关系复杂，需系统解决“人-机-环境”协同优化问题。

（3）极端环境适应性验证难。乏燃料后处理、核应急处置等场景存在中子/γ混合辐射场，外骨骼在辐射环境下的灵活性、柔顺性、安全性需通过充分测试验证。

3.前期研究基础及资料准备情况

3.1前期研究基础

项目团队在助力外骨骼结构方面具有扎实研究基础。常宏等研发的上肢外骨骼集成棘轮棘爪断电保护，腰部弹性蓄能装置使背部肌肉受力降至94.35 N，手臂助力使肱二头肌拉力降至9.09 N；运动学验证满足要求。下肢重载外骨骼采用髋关节电机驱动、膝关节弹性蓄能及可调尺寸设计，经ADAMS仿真验证结构合理性。针对核工业需求，中核四0四有限公司于2019年开展外骨骼快中子防护服探索，在0.2~8 MeV中子及≤150 keV γ射线混合场中测试，中子屏蔽率达54%、γ射线屏蔽率达85%，为本项目提供优化方向。团队与相关企业开展产学研合作，承担多项相关项目并拥有多项专利。

3.2资料准备情况

项目前期已完成全面文献调研与资料梳理，系统收集国内外外骨骼技术、辐射防护材料、人机工程等领域核心文献，深入分析研究现状、技术瓶颈及发展趋势，明确研究切入点与创新方向。依托团队平台，具备完善的实验设备和测试条件，可保障项目顺利实施。

4. 研究思路、研究方法和可行性分析

4.1研究思路

本项目遵循“理论建模—机制研究—装备验证”的总体思路。首先，基于人体运动学与仿生学原理，建立人体运动关节数学模型，分析外骨骼自由度与动态稳定性，提出变瞬心拟合的柔性关节设计方案。其次，围绕“人-机-环境”协同机制，研究人体特征、装备性能与工作环境的耦合规律，优化外骨骼与屏蔽体的接口相容性，形成富氢屏蔽体与外骨骼的有机融合方法。最后，针对特殊辐射场景，建立结构选型与优化方法，固化全寿命工艺流程，通过典型应用测试验证装备性能，形成具有自主知识产权的核心技术体系。总体思路突出“问题导向、理论与实践结合、产学研协同”，确保研究目标明确、技术路径清晰、成果落地应用。

4.2研究方法

（1）理论分析法。建立人体运动关节数学模型，分析外骨骼仿生设计机理与机械设计指标，提出变瞬心拟合的柔性关节设计方案；围绕“人-机-环境”协同机制，研究人体特征、装备性能与作业环境的耦合规律，建立外骨骼辐射防护的人体工效优化准则。

（2）仿真模拟法。采用ADAMS等软件进行运动学与动力学仿真，分析步态周期内膝关节角度变化，验证柔性膝关节在各步态相位中的适应性；通过有限元分析对关键部件进行强度与刚度分析，优化结构尺寸。

（3）实验研究法。将柔性富氢屏蔽体与外骨骼结构总装，在典型应用场景开展作业测试，由不同体型工作人员穿戴并对系统稳定性、便捷性进行评价；计算并评价防护装备的屏蔽性能。

4.3可行性分析

（1）理论可行性。项目组已积累人体运动学、机械设计、辐射防护等领域扎实理论基础，基于前期对人体步态周期、关节自由度及活动范围的系统分析，明确了外骨骼结构设计核心逻辑，“人-机-环境”协同理论框架初步建立，可提供充分理论支撑。

（2）技术可行性。项目组在助力外骨骼结构方面已取得扎实研究积累，常宏等人完成的上肢、下肢外骨骼设计通过ADAMS仿真验证了合理性。中核404有限公司对外骨骼快中子防护服的探索测试积累了工程经验。团队拥有多项外骨骼相关专利，掌握结构设计、驱动控制、人机接口等关键技术，技术路线可实现。

（3）应用可行性。研究紧密对接乏燃料后处理、元件生产、核应急处置等场景迫切需求，成果应用场景与市场需求明确。依托团队平台，具备完善的实验条件和测试能力，成果转化路径清晰。

5. 基本观点和创新之处

5.1基本观点

（1）传统辐射防护装备重量大、负担重，严重制约核工业物料操作人员的作业效能。外骨骼技术通过支撑与助力功能将防护服重量转移至地面，是解决人员负重问题的根本途径。

（2）实现“人-机”运动高度协调是外骨骼高效助力的核心前提，需基于仿生学原理提出变瞬心拟合的柔性关节设计方案，使外骨骼匹配人体自然运动轨迹。同时，“人-机-环境”系统协同优化需研究人体特征与作业环境的耦合规律，保障穿戴舒适性与作业效能。

（3）自主化研制是核辐射防护装备发展的必然选择。面向乏燃料后处理、核应急处置等国家重大需求，研发具有自主知识产权的“富氢屏蔽体+人体外骨骼”一体化防护装备，是破解高端装备进口依赖、推动核工业高质量发展的战略需要。

5.2创新之处

（1）军工需求导向的一体化全寿命研究。针对锕系物料操作人员防护难题，整合中核集团、军工及纺织行业优势资源，开展乏燃料后处理、核应急处置等极端环境下防护技术攻关，构建“机理-效应-工艺-设计-应用-评价”全链条研究体系。

（2）“逆向思维”破解负重难题。突破传统减重思路，引入外骨骼结构将防护服重量转移至地面，实现“减重减负”与灵活性、适应性、安全性的协同优化，为辐射防护装备轻量化提供新路径。

（3）国内首创“富氢屏蔽体+外骨骼”融合设计。针对特殊辐射工况，率先提出二者有机结合的创新方案，研制结构仿生、性能高效、人机合一的外骨骼辐射防护服，破解物料操作中的辐射防护难题。