揭秘 机械外骨骼运用了哪些技术原理(3)

    下肢外骨骼控制原理图

　　机械外骨骼的结构由与人体同步行走的两条金属腿、将重力传递到地面的脚、能够实现转身动作的腰部以及放置重物的后背托架组成，其中包括传感、动力输出装置及执行元件、控制系统与能源系统等都是实现外机械骨骼与士兵共同完成负重行军任务所不可缺少的。对于机械外骨骼的研究涉及多个学科、多个研究方向，首先是机械设计(开链式空间连杆机构设计)，其次是多刚体系统动力学，第三是控制工程，第四是信号测试技术，第五是液压传动。下面简要介绍下肢外骨骼的研究领域的主要核心技术。

    下肢外骨骼结构图

　　步态分析

　　步态分析是人体下肢外骨骼仿生设计的重要依据和工具，对于机械外骨骼来讲，正常的步态应该是平稳、协调、有规律的，两腿交替进行，而且耗能最少。如果要求机械外骨骼跟随士兵一起运动，辅助士兵承载，那么下肢外骨骼就应该操作者具有协调一致的动作，与人体下肢具有相同的自由度和运动形式，如图所示。这里针对机械外骨骼单侧下肢运动具体分析，单侧下肢共有七个自由度，髋关节有三个自由度，分别是围绕三个坐标轴的屈/伸，外展/内收，旋内/旋外运动。其中，屈/伸主要完成跨步功能，外展/内收调节平衡状态，旋内/旋外可实现行走过程中改变方向的功能。膝关节的两个自由度为绕X轴的屈/伸运动，以及绕Y轴的微小转动，踝关节的两个自由度为绕X轴的跖屈/背屈运动，以及绕Z轴的微小外展//内收运动。步态稳定性控制

　　步态稳定性控制是人体下肢外骨骼研究的重点。自前南斯拉夫贝尔格莱德大学的麦沃曼尔·伍科布拉托维奇提出双足步行稳定性理论ZMP(零力矩点概念)后，双足步行机器人的稳定性控制一直沿用此法。所谓零力矩点是指地面上一点，在该点，作用在机器人上的合力绕这点的力矩为零。双足步行机器人为了保持身体平衡，必须保证所承受的所有外力的合力作用线通过支撑足，并处在支撑足与地面接触的区域内，亦即当ZMP落在脚板支撑范围之内时，人运动是稳定的。因此可以通过测定和调整ZMP位置来衡量和控制双足行走的稳定性。