24、下肢外骨骼系统：现状、挑战与未来展望

下肢外骨骼系统：现状、挑战与未来展望

1. 人体运动能量回收潜力

许多研究人员认为，从人体运动中获取能量具有很大的潜力。Malcolm 等人从理论上证明，在特定时间（即摆动腿脚跟触地前，在支撑腿上）施加辅助扭矩，无需外部能源，就有可能降低步行的代谢成本。这是通过回收双足行走中固有的负功来实现的。类似的想法也体现在矫形器设计中。Collins 等人基于 Malcolm 的想法，设计了一种使用离合器和弹簧系统的被动装置，以更节能的结构辅助踝关节。结果表明，步行的总体代谢成本降低了 7.2% ± 2.6%。

然而，踝关节是最节能的关节，因为它有跟腱来储存负功，所以其改进潜力不如其他关节。Rogers 等人使用准被动空气弹簧吸收冲动，减少了下楼梯时膝盖的负功。膝关节连接到一个气缸，通过压缩空气产生减速，导致股直肌的肌电图活动减少了 15%，但压缩空气只是被消散了。Yamada 等人设计了一种气动步行辅助装置，成功地在双支撑阶段开始时回收了膝关节的能量，并在稍后将其重新用于同一关节。

最优的设计可能是从产生最多负功的关节回收能量，并将其应用于需要最多正功的关节。类似的想法也出现在假肢设计中，CYBERLEGs Alpha - Prototype 使用被动机制将从膝盖负功中获取的能量转移到脚踝，以辅助蹬地，结果显示能量从膝盖转移到了脚踝。对于外骨骼，van den Bogert 和 Van Dijk 用人工肌腱连接了外骨骼的多个关节，但由于额外的限制影响了人体运动，代谢成本并未降低。这类外骨骼大多是概念验证设计，尚未有商业产品。最大的瓶颈在于驱动和柔顺驱动器的精度限制。尽管柔顺驱动器的重量可以与普通衣物相似，但如果没有精确控制，这类产品无法在工业或日常生活中使用。

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