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新疆公安基层民警执勤实用外骨骼研究

新疆警察学院新疆乌鲁木齐 830013

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摘要：已知现存的外骨骼多用于医疗及军事领域。根据民警执勤时的实际需求，以人体行走落腿所储存的重力势能转化为抬腿时动能为原理，通过动力输出组内部的棘爪、棘轮以及弹簧的组合改造了一款可佩戴于民警执勤装备上的警用执勤下肢外骨骼。通过行走能力测试法进行了多组对比实验，对心跳恢复程度，呼吸频率和速度影响有不同程度的帮助。初步证明了该警用外骨骼的有效性，由PCI数值可知LTW测试穿戴警用执勤外骨骼比未穿戴测试平均数值分别下降35.3%和41.7%，但对于LUT实验并未产生显著效果。因此证明了此套警用执勤下肢外骨骼对于新疆公安基层民警的日常长时间巡逻执勤具有较高的可行性。

关键词：公安民警;执勤;外骨骼;研究

Abstract： Exoskeletons are known to be used in the medical and military fields.According to the actual needs of the police on duty， the gravitational potential energy stored by the human body walking and falling legs is converted into kinetic energy when lifting the legs，The combination of pawls， ratchets and springs inside the power output group has transformed an exoskeleton of the lower limbs of the police duty that can be worn on the police duty equipment.Multiple sets of comparative experiments were carried out by the walking ability test method， which helped the degree of heartbeat recovery， respiratory rate and speed to varying degrees.The effectiveness of the police exoskeleton was preliminarily proved， and it can be seen from the PCI value that the LTW test wearing the police exoskeleton decreased by 35.3% and 41.7% compared with the average value of the untied test， respectively， but it did not have a significant effect on the LUT experiment.Therefore， it is proved that this set of police duty lower limb exoskeletons has a high feasibility for the daily long-term patrol and duty of the grass-roots police in Xinjiang.

Keywords： public security police; duty; exoskeleton; research

引言

公安队伍是一直有着光荣传统和优良作风的队伍，也是一支英雄辈出正气浩然的队伍[1]。新中国成立以来，全国公安机关共有1.6万余名民警因公牺牲，30万余名民警因公负伤[2]。新疆，作为全国反恐维稳的主战场，新疆公安基层民警则肩负着更加艰巨的使命。

现如今科技飞速发展，警察多种执勤行动任务，所携带的装备越来越多、负荷重越来越大，一定程度上警察执勤时的行进速度、灵活性和持续作战能力，是对警察的精神状态和身体状态极大的考验。与此同时警察生存安全能否得到保障更是得到了全社会的广泛关注。

外骨骼——一种常用于医疗康复及军事领域的机械装备逐渐得到重视。因此，能否将广泛应用与医疗、军事的外骨骼警用化，警察单兵与外骨骼是否能够自洽成为了一个值得研究的问题。

1警用外骨骼的设计与分析

1.1警用外骨骼的原理设计与结构设计理念

警用外骨骼装备的目的在于増长警察的可持续执勤时间，增加警察可负重能力、减弱负重对警察的损伤，减轻警察的精神消耗和体力消耗，从而提高警察负重情况下的持久作战能力。它由人体穿戴和控制，能够感应人体姿态以及行动意图，辅助执行人体的运动动作，增强穿戴者的体能和力量。

根据哈佛大学学者Mochon和McMahom对于人类在行走过程当中腿的摆动的研究中得出，人体的支撑腿与摆动腿的运动状态类似于倒立双摆[3]。因此，本设计在一侧腿跨步向前倾时，通过支撑杆和动力输出组储存能量，在转换与储存重力势能和动能做功，减少另一条腿摆出时，外骨骼在摆动释放储存的能量不断提升大腿，再通过支撑杆和动力输出组所储存的能量释放帮助腿自然摆出，以达到一个辅助行走的效果，但在摆动过程中出现膝关节的运动方式依旧通过正常的摆腿的惯性技术实现。

1.2 无源外骨骼膝结构助力过程分析

在上述研究和分析的基础上，结合现如今新疆基层民警执勤现状，以及现有外骨骼技术，设计了一种可以连接警用战术腰带的被动式下肢外骨骼，其相关的基本结构和部件如图1所示.

此套外骨骼系统可以通过与人体步调一致的节奏去弥补肌肉力量的不足，借助自然重力完成高效、和谐、省力的执勤效果。

穿戴外骨骼行走，在一侧腿自然抬起时同侧外骨骼系统的动力输出组便进入储能阶段，曲柄开始做逆时针运动。在储能阶段的末期，当外骨骼处于重要支撑阶段时，脚面与地面没有完全可以接触后，此时髋关节的可随大腿支撑杆一起进行旋转方向运动的摆盘，在其上伸缩调节杆的推动力促进作用下，将动力输出组内部的棘爪扣合在棘轮的轮齿中，此时动力输出组已经进入释能阶段准备开始辅助抬腿。

在弹射阶段，弹簧逐步压缩，蓄积能量以辅助髋关节。动力输出组内部的棘轮和棘爪被旋转弯曲，当辅助过程完成时，大腿已处于最高步态位置。当一侧的动力输出组能量释放过程结束后，步态进入中间过渡阶段，此时髋关节开始顺时针旋转，小腿在则自然惯性作用下继续做逆时针旋转。这时同侧动力输出组的棘爪和棘轮已经处于打开一个状态，当脚底接触地面时，另一侧的支撑杆会伴随着其侧的动力输出组做顺时针方向转动。当再一次脚底接触地面，新一轮的能量压缩阶段开始，下一个步态循环开始。当人体携带外骨骼行走时，髋关节、膝关节和踝关节相互配合工作，踝关节负责提供提供支撑，膝关节则作为滑动关节提供所需运动力量，髋关节则通过摆动为行走提供动力。这时三个关节的共同运动配合就体现的为尤为重要，那么对外骨骼的要求也随之不断提高，既要为大腿的肌肉群提供一定的助力，又要为踝关节及其周围肌肉提供理论支撑，还要能够保证髋关节的活动度，因此需要在设计警用外骨骼时可以同时通过牵引带将这三个关节视为一个整体。此外，警察的执勤活动也要求使用外骨骼的自身结构有足够高的强度，不单单使用塑料这种轻便却强度不足的材料。因此应该选择什么样的材质构造外骨骼，既能保证自身结构强度又能保证材料足够轻便还有待研究。

2新疆公安基层民警执勤现状与外骨骼可行性研究

2.1 基层民警执勤现状

经过对新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市多处警务站的走访调研发现，新疆基层公安民警的执勤状态大抵相同。新疆自“7.5”严重暴恐事件以来，应急处突、预警响应的高风险备战状态使新疆民警长期处于工作任务重工作压力大，以及身体状态差的生存状况，民警的工作热情和积极性一定程度上的受到了挫伤，给新疆公安队伍的稳定性带来一定的影响，以至于引起民警内部工作效能的滞后[4]。

2.1.1 执勤时间长

新疆公安基层民警每组执勤时长24h，虽然为轮换制，但平均每名民警仍需8到12h的执勤时间。在这种长期“5+2，白加黑”的如此高强度长时间巡逻制度对新疆公安基层民警的体能都是极大的考验。

2.1.2 执勤任务重

作为全国反恐维稳主战场的新疆，其中的每位民警身上肩负的责任都非同一般。因此每位民警在执勤时都要时刻保持精力高度集中，才能保证随时应对任何突发状况。体能消耗巨大的同时，精力也造成了极大的负荷。

2.1.3 执勤范围广

虽然为了更好的反恐维稳，新疆耗费了大量财力物力使得每片地区都有多处警务站，但占全国国土面积六分之一的新疆拥有比其他省份更大的城市，也就导致了每处警务站所负责的面积依旧不容小觑。每处警务站所负责的执勤范围更是达到了1.5平方公里甚至更大，每次执勤巡逻路程也达到了10公里。

西方警界的研究结果表明，公众的公共安全感和满意度，很大程度上并非源自警察的破案数、破案率或其他业务行动的结果，因为大多数情况下公众对这些行动及其结果没有直接感受，他们的安全感和满意度往往源自于身边的巡逻警察[5]。因此在这种点多线长范围广的网格化执勤背景下，如何能在保证质量的前提下尽可能的减少精力体力的消耗变得格外重要。

2.2 警用执勤下肢外骨骼可行性研究

此套外骨骼原理就是依托0功率的行走辅助装置，非刚性连接套装——动力输出组穿戴在人体外，辅助警察进行日常的执勤活动，这是一种非常灵活的警用单兵系统。这套系统需要辅助外骨骼能迅速正确地响应使用者的各种活动。除此之外，还要考虑外骨骼与不同使用者之间的契合程度，最好能适用各种警种。首先，通过研究人体下肢骨骼的构造以及肌肉群运动原理，对外骨骼形态和构造进行优化。不仅在运动形式上需要与使用者的保持高度一致，而且要在穿戴时的舒适度保持一致，确保穿戴者与外骨骼运动的一致性相同、穿着足够舒适、操作更加灵活，从而达到人机一体的效果，在执勤时能最大程度的保持体力与精力。人体不同关节部位的可旋转的自由度不同，关节自由度越大，外骨骼所需的角度转变程度也就越大。人体上肢的柔韧性和各关节结构及运动较为复杂而髋关节及下肢就简单很多。人体最重要的八大关节就是——肩、肘、腕、髋、膝、踝关节及脊椎上的颈椎和腰椎。人的每一个复杂的组合动作，都需要这些关节及其周围肌肉的密切配合。当执勤时外骨骼与民警的腰部腿部直接捆绑接触，所以外骨骼设计不仅要透气，还要符合人身关节运动原理，考虑髋、膝关节的活动范围。外骨骼的可关节转动角度如果过大就会造成穿戴无用，更累甚至对民警造成损伤等危险。因此，为了防范、防止穿戴者在使用过程中引起不必要的损伤。执勤时外骨骼不应与穿戴者直接捆绑接触，结构的设计必须符合安全要求，能够适应不同身高、体重、警种。考虑常人髋、膝关节所能达到的最大转动角度。

经调研，基层执勤民警日常巡逻所携带的主要为头盔，防刺服，警用战术腰带，内配制式警棍，手铐，强光手电等警用装备，手持警用防爆盾牌或警用防爆棍。所以应对于执勤民警的腰部和膝部进行重点保护，而现有的腰部外骨骼多数为背心结构，对腰部起到支撑作用，与民警所配备的防刺服不能相结合，所以应将重点放在膝部减震和行走助力等方面上加以研究。所以可否在不影响正常配备装备携行的前提下也是问题的关键。警用战术腰带和下肢外骨骼的结合成为了重中之重，本套外骨骼的发现让这个想象有了变为现实的可能。

3警用外骨骼实验分析

3.1 警用外骨骼测试标准

经过查阅了大量的资料发现对于不同性能，不同种类，不同适用人群和不同关节的外骨骼的测试方法各有不同，如MacGregor生理消耗指数，氧气消耗法和PCI等等，测试行走能力则可以通过监测测试者测试过程中的距离、速度等手段，而对于为了达到警用外骨骼所需的负重执勤用的测试方法，因此决定将多重测试方法相结合，通过心率、体能消耗、能量消耗等几个方面进行分析，验证其可行性。实验场地如图二所示。

在已知所有的行走能力测试方法中，较为公认也是具有权威性的氧气消耗法可作为参考数据并具有完整的实验流程，但该方法成本较大，考虑到实验成本以及试验场地因素，打算采用负重行走测试LWT（Load Walking Test）、负重上楼测试LUT（Load Upstairs Test）以及自适性速度测试AST（Adaptive Speed Test）三种测试方法，通过测试心率、呼吸等方式体现能量消耗。其中较为经典的例如总心率指数（Total Heart Beats Index，THBI）以及上文提到的PCI测试法，而相比于THBI不间断心率测试，PCI测试法氧气消耗相关性更小一些，测试方法更为便捷，只需要测量测试前心率P1（rate/min）以及测试后心率P2（rate/min）。因此本次实验决定采用PCI测试法。本实验需要测量测试前心率P1（rate/min）、测试后心率P2（rate/min）以及平均速度V（m/min）并导入PCI公式计算：PCI（rate/min）

3.2 下肢警用外骨骼测试流程

五名体型相似的健康测试者加入了此次实验。测试开始1h前先让测试者熟悉该下肢外骨骼的穿戴方式，并且习惯其用法。穿戴好通用警用执勤装备（警用防暴头盔、警用防刺服、战术腰带、警棍、强光手电、对讲机、水壶、手铐、医疗包、警用匕首、催泪喷射器）并分别进行穿戴外骨骼和不戴带外骨骼的模拟执勤实验（如图2）。首先进行Load Walking Test，然后进行Load Upstairs Test，最后进行Adaptive Speed Test。采用恒康佳业心率测试仪监测心率。

3.2.1 LTW测试流程

LTW测试标准如下：在跑步机上进行75m/min时长60min的0°角行走测试，行走距离 4500m。测试者首先测量静心率并穿戴好执勤警用装备，听到指令后开启跑步机进行测试。测试结束后立刻对测试者的心率和心跳回复静心率的时间等数据进行测量记录，确保准确性。每名测试者需分别测量未穿带外骨骼和穿带外骨骼三次，并记录有效成绩。如未及时测量影响实验结果则数据作废并重新测试。LWT测试主要模拟民警正常执勤消耗时身体条件状况。

3.2.2 LUT测试流程

LUW测试标准如下：选在楼梯上进行时长15min上下楼梯行走测试。测试者首先测量静心率并穿戴好执勤警用装备，听到指令后上下楼梯进行测试。测试结束后立刻对测试者的心率和心跳回复静心率的时间等数据进行测量记录，确保准确性。每名测试者需分别测量未穿带外骨骼和穿带外骨骼三次，并记录有效成绩。如未及时测量影响实验结果则数据作废并重新测试。LUT测试主要模拟民警经过长时间负重行走导致体能过度消耗时执勤的身体条件状况。

3.2.3 AST测试标准

AST测试标准如下：在跑步机上进行不限速度的自适应性行走1.5h，期间测试者可根据自身身体状况随时调节速度。测试者首先测量静心率并穿戴好执勤警用装备，听到指令后开启跑步机进行测试。时间结束后立即对其心率和心跳回复静心率的时间以及当前速度等数据进行测量记录，确保准确性。每名测试者需分别测量未穿带外骨骼和穿带外骨骼三次，并记录有效成绩。如未及时测量影响实验结果则数据作废并重新测试。测试过程中不可对跑步机速度显示区进行遮挡并不告知测试者当前速度，仅靠自身身体状况进行速度调节，避免主观代入造成的数据错误。AST测试主要判断下肢外骨骼在民警长时间执勤时是否可以起到调节辅助作用，通过自身体验切实反应外骨骼的作用。

4 实验结果与分析

对于LWT、LUT测试结果，在三个方面进行讨论分别是心率，心跳恢复速度以及呼吸频率。本文选用恒康佳业心率测试仪（如图3）作为测试器材，并多次测量数据，尽可能减小每组数据的误差，确保实验准确性。对于AST测试结果只需对比最终速度便可直观反省该下肢警用外骨骼的实际作用。

4.1 PCI数值

如上表所示，在跑步机上进行75m/min时长60min的0°角行走测试后，测量了前后心率变化数值，代入PCI计算公式，得到了各组数据并计算出平均值，由各组数据以及平均值对比可以很直观地看到该警用下肢外骨骼对于平地行走帮助效果的显著性。测试者1、2的PCI平均数值分别有0.226和0.267的下降。同比下降35.3%和41.7%.证明了此外骨骼对对于连续平地行走的有效性。

4.2心跳恢复程度

如上表所示，在楼梯上进行时长15min上下楼梯行走测试后，立即为测试者佩戴心率测试仪，并持续监测记录，监测其恢复静心率的时间得到上表。经过恢复时间对比，发现该外骨骼对于LUT测试辅助并不显著，其原因可能是在于LUT的动作对于外骨骼来说过于复杂，运动幅度过大，导致测试者在大角度提膝时会收到外骨骼结构的影响，从而抵消动力输出组带来的辅助提升效果。证明了本套外骨骼对于大幅度提膝运动效果并不显著，仍有改善空间。

4.3呼吸频率

如上表所示，经过LTW和LUW测试后立即对测试者的呼吸频率开始检测，得到上表，通过数据可以较为直观的看出，外骨骼对于LTW测试的效果明显，能够较大幅度的减小测试者的体能消耗从而减缓其呼吸频率。而对于LUW测试的帮助仍不够明显，参照上文，应仍为结构导致大角度提膝时动力不足。

4.4速度影响

如上表所示，在跑步机上进行不限速度的自适应性行走1.5h后，可以最为直观的看出，穿戴外骨骼的最终速度明显高于未穿戴的速度，此套外骨骼对于连续平底行走效果的显著性，由于对测试显示器进行了覆盖，所以减少了主观代入的可能性，结果的可信度较高。

5 结论

本文设计了一款警用执勤下肢外骨骼，可将民警执勤行走时落腿所储存的重力势能转化为抬腿时的动能释放，并通过行走能力测试法进行了多组对比实验，由PCI数值可知LTW测试穿戴警用执勤外骨骼比未穿戴测试平均数值分别下降35.3%和41.7%。并通过负重行走LTW测试，负重上楼LUT测试和自适性速度AST测试分别对心跳恢复程度，呼吸频率和速度影响进行了测量。实验表明穿戴警用执勤下肢外骨骼对于负重上楼未产生显著效果，但是对于长时间负重行走产生了较好的效果。证明了此套警用执勤下肢外骨骼对于新疆公安基层民警的日常长时间巡逻执勤具有较高的可行性。

参考文献

[1]中国青年网.习近平对公安队伍的这些话激动人心.[EB/OL].news.youth.cn/sz/201905/t20190508_11947408.htm.2019-05-08/2022-03-20.

[2]中国新闻网.新中国成立以来全国公安机关共有16万余名民警因公牺牲.[EB/OL].https：//www.chinanews.com.cn/gn/2021/04-02/9446301.shtml.2021-04-02/2022-03-20.

[3]曹恩国，高阳，王刚，胡伟峰，曹毅.重力势能锁止型外骨骼设计及其效能评价[J]国防科技大学学报，2021，6：145～152.

[4]张镝.对当前反恐背景下新疆民警生存状态的调查及思考[J].法制与社会，2016，10：143～145

[5]王均平.警察组织机构的科学化[J].河南高等专科学校学报，2000，（6）：25.

基金项目：2021年度新疆警察学院大学生创新训练计划项目（项目名称：新疆公安基层民警执勤实用外骨骼研究;编号：s2021127340016）

作者简介：宫敬轩（2002-），男，汉族，黑龙江佳木斯人，本科在读。侦查系（维吾尔语方向）

陈亚飞（1988-），男，汉族，四川古蔺人，讲师，硕士研究生，研究方向：警察体育、运动训练

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