变身《极乐空间》大力士 机械外骨骼真奇妙

　总之，研制外骨骼装备，不仅能提高士兵的承载能力，还能突破人类的体能极限；提高士兵的行军速度和越障能力，使士兵能够负重长途跋涉于车辆无法通过的地方；可实现人的灵活性、机动性、智慧性与机器强壮性的完美结合；可用于民用，比如抢险救灾、建筑施工以及辅助行走等场合。

　　机械外骨骼运用了哪些技术原理？

　　机械外骨骼的研究可追溯到20世纪60年代，经过40多年的发展，目前国外已开发出几类行走助力机器人。而国内关于其研究的起步较晚，目前还处于摸索跟踪阶段，但起点高，发展很迅速。

　　比较有代表性的是海军航空工程学院研制的机械外骨骼。他们已研制出两代样机，其第一代样机的机械构件是由机械脚、小腿、大腿、背托架以及三个关节、两个双作用油缸(相当于一个拉伸弹簧)组成。第二代样机比较复杂，整个系统由四部分组成：下肢外骨骼机械机构、动力单元、控制单元以及传感器感知单元，与第一代样机的区别是增加了两个阻尼器(起缓冲作用的油缸)，并且第一代样机中布置在髋部和小腿之间的阻尼器重新布置到大腿和小腿之间，另外两个阻尼器被安装在髋部和大腿之间。它采用双电机分散驱动，分别驱动两侧下肢的运动。当电机工作时，电机输出轴转动，将钢丝绳缠绕到输出轴上，钢丝绳张紧，从而使腿伸直，以便支撑人体体重。这种工作机理非常巧妙，和人体下肢运动机制完全一致。

下肢外骨骼控制原理图

　　机械外骨骼的结构由与人体同步行走的两条金属腿、将重力传递到地面的脚、能够实现转身动作的腰部以及放置重物的后背托架组成，其中包括传感、动力输出装置及执行元件、控制系统与能源系统等都是实现外机械骨骼与士兵共同完成负重行军任务所不可缺少的。对于机械外骨骼的研究涉及多个学科、多个研究方向，首先是机械设计(开链式空间连杆机构设计)，其次是多刚体系统动力学，第三是控制工程，第四是信号测试技术，第五是液压传动。下面简要介绍下肢外骨骼的研究领域的主要核心技术。

下肢外骨骼结构图

　　步态分析

　　步态分析是人体下肢外骨骼仿生设计的重要依据和工具，对于机械外骨骼来讲，正常的步态应该是平稳、协调、有规律的，两腿交替进行，而且耗能最少。如果要求机械外骨骼跟随士兵一起运动，辅助士兵承载，那么下肢外骨骼就应该操作者具有协调一致的动作，与人体下肢具有相同的自由度和运动形式，如图所示。这里针对机械外骨骼单侧下肢运动具体分析，单侧下肢共有七个自由度，髋关节有三个自由度，分别是围绕三个坐标轴的屈/伸，外展/内收，旋内/旋外运动。其中，屈/伸主要完成跨步功能，外展/内收调节平衡状态，旋内/旋外可实现行走过程中改变方向的功能。膝关节的两个自由度为绕X轴的屈/伸运动，以及绕Y轴的微小转动，踝关节的两个自由度为绕X轴的跖屈/背屈运动，以及绕Z轴的微小外展//内收运动。