如何设计外骨骼

外骨骼必须轻巧、紧凑、功能强大、可靠并且易于使用——还有什么比这更容易呢？在世界各地，有许多研发人员都涉足这一领域，并取得不同程度的成功。VariLeg enhanced团队负责人Christian Bermes解释这一切的原因。

机械系统

“使用机电系统模拟人类步态是一项巨大的工程设计挑战。为人体提供支撑的结构必须尽可能轻巧，但同时也要足够坚固，因为每增加一公斤额外的重量，都会对驱动系统带来不小的影响。因此，设计师们常常使用碳纤维等轻质材料。还有很重要的一点就是外骨骼不能太宽，因为只有这样，外骨骼的使用者才能毫无困难地穿过任何一道门。”

驱动装置

“由电机和齿轮箱构成的驱动系统必须达到高转矩，这样才能提供巨大的力量帮助使用者行走，尤其在上下楼梯时更是如此。同时，由于行走运动，电机必须不断改变旋转方向，因此也需要较高的动态性能。最后，驱动装置的设计还必须紧凑，所占用的空间应该尽可能少。”

用户界面

“外骨骼使用者必须能完全控制他们的运动，因此运动控制必须易于操作并且设计直观。此外，为了确保接口能可靠传递巨大的力量，并同时保护使用者敏感的皮肤，就必须针对使用者的腿和躯干单独进行调整。”

外骨骼使用者和经验

“这可以说是最重要的一点。外骨骼在实践中的工作情况主要取决于使用者本身，他们必须习惯机器人辅助系统并学习如何在使用时达到最佳的效果。有些人更看重力量，有些人更看重技术。但无论是哪一种方式，都需要进行大量培训。”

自由度

“应该有多少自由度？这是一个很棘手的问题。外骨骼设计师通常会设计成每一条腿有两个自由度，也就是说只有臀部和膝盖可以运动。这种方式的优势在于：重量更轻、控制系统更简单，因此导致错误的原因也更少。但是也可以选择三个或四个自由度。这意味着比如可以横向运动，或者也可以额外操作脚踝。这就为外骨骼使用者提供额外的行动自由，并且增加在不平坦地面上运动的稳定性。但另一方面，这也会使整个系统变得更重、更复杂，同时也会缩短电池的使用寿命。”

软件

“乍一看，控制自由度更少的系统似乎更为简单。但当您深入了解细节时，就会发现实施起来其实更加复杂。原因在于必须控制许多种不同的运动，并通过安全功能防止发生事故。另外，设计师还必须与外骨骼使用者合作进一步研发整个外骨骼系统。这只能通过一个可行的软件架构才能实现。”

Christian Bermes是VariLeg enhanced团队的负责人，也是拉珀斯维尔HSR应用科学大学自动化和机电一体化系的教授。

新型VariLeg外骨骼配备两倍功率的电机

VariLeg enhanced团队为2020年Cybathlon仿生奥运会研发和建造外骨骼。但是，目前正在进行的项目与曾参加2016年仿生奥运会的苏黎世联邦理工学院VariLeg团队的关系不大。目前的外骨骼项目是一个学生研发项目。这个项目团队由来自苏黎世联邦理工学院以及来自拉珀斯维尔HSR应用科学大学的学生们共同组成，他们正在努力完成机器人系统的设计制造。这套系统有两个自由度。系统的每一侧各安装两台maxon无刷盘式电机，用于臀部和膝盖的运动。它们可以提供高达600 W的功率。

maxon医疗业务发展部的Otto Ineichen说：“最重要的一点是，用于外骨骼系统的驱动装置必须是轻量级的驱动装置。另外，降低总高度也非常重要。但与此同时，又需要实现较高的功率密度和动态性能，因为电机必须频繁、非常快速地改变旋转方向。在maxon，我们正在研发一个全新的电机产品平台，专为满足机器人技术市场的各种需求而设计。这些全新的驱动装置基于EC-i frameless概念。在此基础上，可以根据应用场景以及具体要求与合适的齿轮箱组合使用。”