机械外骨骼原理、特点

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2022-06-29 09:22 标签： 腿外骨骼机械图

俄罗斯媒体报导说，“勇士-21”外骨骼系统的功能与美国电影《钢铁侠》主角斯塔克身穿的机械战甲类似，是俄罗斯军工业研製的第二代机械外骨骼装置，配有火力攻击、防护、控制、生命和能源保障等系统，将有效提高士兵作战能力和防护水平。

“勇士-21”作战服将成为俄罗斯陆军的钢甲

俄罗斯第3中央研究所研究人员表示，“勇士-21”系统包括背包式外架、金属腿及相应动力设备，使用背包中的液压传动系统和箱式微型空速感测仪作为能量来源，以全面增强士兵人体机能。据悉，“勇士-21”外骨骼系统可承担步兵大约95%的货物负荷，并与士兵人体完全结合，能保障士兵在平面或斜面上行走。

“勇士-21”外骨骼系统短期内将具备流畅而敏捷的奔跑和跳跃功能，装备这套系统后步兵满负荷行进时速度可达到16公里/小时。“勇士-21”外骨骼系统的金属材料採用纳米技术，与第一代外骨骼相比，重量减少了14公斤，大大提高士兵的机动性。据估计，俄罗斯在“勇士-21”外骨骼研製上将投入约3500万美元。

作为单兵作战辅助系统，“勇士-21”系统还必须穿戴在步兵身上，因此步兵自身还得付出一定体力操纵机器，“勇士-21”系统更多的是延长步兵的耐力和负重。从这个角度上看，“勇士-21”系统距离美国国防部积极谋求的纯粹外骨骼机器人（即步兵不花体力，只用头脑操纵外骨骼运动）还有相当的距离。

“勇士-21”在开发上面临的最大困难是持久动力源，它必须功率强大，且无噪音，而俄罗斯现有工业基础无力提供这样的动力装置和特种燃料。此外，“勇士-21”的单个外骨骼组件也有待完善设计。

美国士兵身穿外骨骼作战服进行训练

外骨骼本指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支撑和保护作用，军工企业根据仿生学原理，利用特殊材料製成机械化装置套在士兵身体上，以增强士兵的负重、机动和打击能力。

美国士兵身穿外骨骼作战服进行训练

美国国防高级研究规划局对外骨骼系统要求如下 ：

材料坚硬——外骨骼机械必须使用坚固、轻便且有弹性的材料，并能够保护士兵，大幅度减少伤亡；

能源轻巧——能源必须能够连续工作24小时，能源装置需要轻巧且无噪音；

控制便捷——必须能够同步跟随穿戴者的动作，加强穿戴者的力量，让穿戴者负重增加的同时行动更便捷。

机器人外骨骼通常用于康复治疗中，它是一种可以像穿衣服一样穿在身体上的智能机器人，帮助穿戴者跑得更快、力气更大、耐力更强。通常，它们使用放置在关节处的电机来实现，其将力传递到移动穿着者腿部的刚性部件。但是，机器人外骨骼存在着一个搁置了多年的难题，那就是它们不能转身，只能往一个方向一直前进。

加利福尼亚州斯坦福大学的学者Steve Collins曾说过，“帮助人们转身是非常重要的，但很少被解决。”

机器人外骨骼如何实现转向功能？

然而，值得注意的是，近日有个团队突破了这一难关。来自松下研究所的Stephen John携手他的团队成员解决了这个问题。据雷锋网了解，他们的设计由贴合软的机器人制成，借助了滑动配合的软体机器人学原理，其外观看起来像一个配备了马达的紧身裤。这款装置包含了8个马达、电池和一个操控系统，并且都装在使用者的后背上。这款装备的设计主要是通过臀部位置的4个制动装置控制软体塑料线，通过收缩模拟人类肌肉运动实现肢体移动。不像以往的使用马达直接驱动肢体移动的外骨骼装置。

Collins表示，“这款机器人外骨骼特点就是塑料线缠绕在腿部的方式，通过这种方式让不同的马达联合工作完成腿部移动。”

雷锋网(公众号：雷锋网)获悉，在初步测试中，有五名身体健壮的人以闭着眼睛的方式试穿了外套，而在这种情况下，这种衣服能在保持平衡的同时还能改变方向。John表示，他们计划与将与残疾人进行更大的测试。

若机器人外骨骼能实现转向，则有利于康复者在家中进行康复治疗。

一旦有中风的人在医院康复到了一定程度，他们就可以在家里穿上这套外骨骼。这可能有利于老年人独自在家休息和活动。John对此说道，“他们早上穿上外骨骼之后，保持一整天的活动。”

这款机器人外骨骼的控制系统较为复杂，其下一步的改善目标是让用户更方便地控制。John及其团队成员正专注于研究传感器系统，这个系统会检测穿戴者何时进行轻微的转动，并为其完成动作。John说道，“我们的目标是协助人们在日常生活中遇到的所有重要运动。

机器人外骨骼的技术瓶颈

这项新的技术令我们看到了机器人外骨骼取得了新突破。然而国内尚未有公司获得这样的技术，在这方面的研究与国外还存在一段距离。有一些业内人士向雷锋网表示，这款机器人外骨骼的成本或许会很高，国内尚未有公司能够获得这样的技术。国内机器人外骨骼的技术瓶颈大概包括控制算法、步态识别、机械结构这几个方面。

另外，还有一些业内人士认为，对于使用机器人外骨骼的康复者来说，康复就是要帮助他们重新学习走路。然而康复过程是枯燥无聊的，所以这就需要康复机器人能精确地识别康复者的运动意图，去估计人们自主施加的力矩，再去做精密的力控制。除此之外，康复机器人还有其他方面的技术瓶颈，比如电机续航能力不够，重量较大、缺乏灵活性等。

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