27、下肢外骨骼设计：创新与挑战

下肢外骨骼设计：创新与挑战

1. 独特设计的无系绳外骨骼

1.1 被动脚踝外骨骼

北卡罗来纳大学和卡内基梅隆大学合作研发的被动脚踝外骨骼，配备机械离合器和弹簧。在行走过程中，弹簧能够存储和释放能量，可使代谢能量消耗降低约 7%。

1.2 哈佛软体外骨骼

哈佛生物设计实验室的无系绳软体外骨骼，其动力和驱动装置位于背包中。与不携带外骨骼质量行走相比，这种外骨骼可使负重行走时的代谢成本降低 7%；与无动力模式相比，可降低 14%。它的物理结构独特，能穿在衣服里面，重量轻，且制造成本极低。

1.3 能量收集膝关节外骨骼

西蒙弗雷泽大学和仿生动力公司联合研制的能量收集膝关节外骨骼，在摆动阶段末期膝关节减速时能发电，类似于混合动力汽车的再生制动。外骨骼所做的负功为发电机提供动力，取代了人体肌肉的正功，因此佩戴该设备的额外代谢成本较小，还可为医疗设备供电或在偏远地区实现充电。

1.4 用于脊髓损伤辅助的外骨骼

目前有几种位置控制的外骨骼可用于辅助脊髓损伤患者，例如 ReWalk，它能感知躯干倾斜，当用户前倾时，会指令预设的髋部和膝部轨迹以实现迈步动作，用户还可使用遥控器命令外骨骼完成坐站转换等任务。

1.5 设计良好但效果不佳的外骨骼

代尔夫特理工大学开发的阿基里斯外骨骼，采用高效的板簧和线性执行器驱动系统，但未能降低行走的代谢成本，可能是由于硬件重量和当前控制方案的细节问题。

2. 车载组件的机械设计原则

外骨骼设计需平衡相互竞争的设计目标和约束条件，总体上要在保证安全、舒适、机械强度以及峰