外骨骼分类及技术要点深度解析

外骨骼技术根据其应用领域的不同，可以分为军用外骨骼与民用外骨骼系统两种。军用外骨骼的发展历程较早，因为军事需求的推动，早在20世纪90年代就已有将外骨骼用于士兵强化的尝试，在21世纪初期，由美国DARPA赞助的“陆地勇士”项目已经展示了多种接近于实用化的外骨骼系统，如伯克利大学的ExoHiker、Bleex以及HULC等。这些方案多为下肢外骨骼，具有刚性的连杆机构，能够伴随士兵进行运动，刚性连杆机构与足底相连接，能够将自身重量以及负载重量传递至地面，减少士兵在行走过程中的负担，从而提高其运动能力。此外，为了进一步强化外骨骼的功能，并与单兵作战系统进行集成，新概念军用外骨骼的设计中也开始与单兵防护、武器发射、身体状态监测等功能进行整合。

（1）军用外骨骼

对军用外骨骼的技术要素进行分析，主要包括动力驱动、传感、减少体能消耗、人体工程学、能源动力、通信及散热等方面。如下分别叙述各要素的特征。

动力驱动：在军事行动中，士兵需要携带大量的武器装备、医疗用品以及生活补给等，质量通常达到数十千克，同时部分武器装备如炮弹、重机枪等自身重量往往会达到或者超过人体负重极限，军用外骨骼通常都会设计为刚性连杆结构，从而提高人体负重能力，此外为了适应运动的需要，都需要提供主动助力，通常为小型液压机构或者电机等，从而满足军事任务中对人体力量增强的需要。

传感：战场环境复杂多变，生物武器以及化学武器等的应用也导致士兵对战场环境需要有很高的感知度。外骨骼系统可以与单兵作战系统中的传感等装置进行结合，从而提供对战场环境的预警，例如监测有毒气体或辐射，以及提供战场环境的图像等。对于指挥系统，也希望获得单个士兵的战场环境感知信息，同时也需要了解士兵自身的身体机能状态，从而实现更合理的任务分配，或者是提供医疗救助等服务。

减少体能消耗：由于作战过程中人体高度紧张、携带大量负载的同时还需要进行大量运动，体能的消耗非常严重，如何通过外骨骼降低人体体能消耗也是研究重点之一。除了利用刚性外骨骼将负载的重量传递至地面之外，也出现了使用柔性以及弹性结构，通过对人体运动关节的牵拉，辅助进行能量回收，从而达到减少新陈代谢，并提高耐力的目的。

人体工程学：外骨骼系统作为可穿戴机器人，与人体的结合非常紧密，所以需要对外骨骼的材质进行考虑，选用无毒、不易造成擦伤的材料。同时，为了实现外骨骼与人体的随动过程，需要对人体进行动力学建模，提高外骨骼的自由度数，避免穿戴后对人体运动过程形成限制。对于外骨骼的操纵以及信息显示等，也需要对人机交互进行相应的考虑

能源动力：由于外骨骼系统上具有各种动力驱动或者是信息采集与通信功能，所以需要额外的能量来源。适应于人体负载的要求，能量来源需要有较高的能量与质量比，通常选用高密度锂电池。如何提高电池的能量密度或者可充电性能也成了外骨骼研究中的重点之一。

通信功能：信息化条件下，战场中的通信功能也越来越得到重视，尤其是在信息化对抗中，往往还会受到敌方的信息压制，如信号干扰或追踪等。单兵作为最小的信息化节点，如何保障战场环境中的通信能力也成了现代战争中的决胜因素。外骨骼自身使用了很多金属部件，可以与通信设备的天线进行共形化设计，提高通信距离以及可靠性。(www.xing528.com)

散热：对于主动助力型外骨骼，由于目前电机的输出效率较低，会有相当一部分能量转变为热能，同时人体自身作为热源，散热过程受到外骨骼的影响也会有所降低。热量的聚集会进一步降低外骨骼的运行效果，对穿戴者的使用体验也会产生严重影响。如何实现高效散热也是目前穿戴式机器人亟待解决的问题之一。

虽然外骨骼的设计与发展早期是由军事需求所推动（图5.8），但受限于严苛的使用环境，军用外骨骼离实用化还有着较远的距离。相应的，随着社会生产力的提高以及人们对健康生活的追求，民用外骨骼逐渐显示出广阔的应用需求，下肢瘫痪、术后恢复、行走矫正等都可以在一定程度上使用外骨骼进行康复训练。目前国内外已经有众多公司从事民用外骨骼系统的研发，例如国内的大艾机器人公司（图5.9）、傅里叶智能公司、以色列的Rewalk公司以及美国的Ekso公司等。目前，民用外骨骼的主流设计及功能是可以与人体下肢相固定，并在髋关节、膝关节以及踝关节处有电机，通过电机驱动实现辅助行走的功能。

图5.8　雷神公司军用外骨骼

图5.9　大艾公司民用外骨骼

（2）民用外骨骼

民用外骨骼的技术要素主要包括：健康及姿态监测和动力驱动两个方面。在健康及姿态监测方面，民用外骨骼的使用者往往是不具有行走能力的患者，一方面其健康状态本身就较不稳定，需要实时监测；另一方面为了辅助行走，必须获得当前患者的姿态以及行走的意愿，避免出现跌倒等情况。目前，民用外骨骼主要通过皮肤电极，监测肌肉电信号，同时与压力传感器以及IMU姿态传感器相结合，判断当前患者的身体状态及位置，并驱动电机，使外骨骼做出相应动作。在动力驱动方面，为了尽可能地降低成本以及提高外骨骼的便携性，需要对下肢外骨骼所用的结构设计以及材料进行优化，例如采用轻量化铝合金，以及利用拓扑优化技术来设计连接结构。同时，还需要选用或者设计轻量化且具有高功率输出的电机，以匹配人体关节的动力并辅助人体进行运动。