无源被动外骨骼系统研究现状与关键技术分析

２０２１年３月

第４９卷第５期

机床与液压

ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ

Ｍａｒ．２０２１

Ｖｏｌ ４９Ｎｏ ５

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０２１ ０５ ０３１

本文引用格式：李强，周加永，赵文彬，等．无源被动外骨骼系统研究现状与关键技术分析［Ｊ］．机床与液压，２０２１，４９（５）：１５６－１６１．

ＬＩＱｉａｎｇ，ＺＨＯＵＪｉａｙｏｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｎｂｉｎ，ｅｔａｌ．Ｐａｓｓｉｖｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｙｓｔｅｍｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎａｌｙｓｉｓ

［Ｊ］．ＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌ＆Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ，２０２１，４９（５）：１５６－１６１．

收稿日期：２０１９－１２－０５

基金项目：陆军装备预研专用技术项目；陕西省科协企业创新争先青年人才托举计划项目

作者简介：李强（１９９２ ），男，硕士，实习研究员，主要从事人体外骨骼助力技术研究㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｑｉａｎｇ２０２＠１２６ ｃｏｍ㊂

无源被动外骨骼系统研究现状与关键技术分析

李强，周加永，赵文彬，张昂，莫新民

（西北机电工程研究所，陕西咸阳７１２０９９）

摘要：无源被动外骨骼系统无需能源供给，以降低单兵负重时的体能消耗㊁保护骨骼肌肉免受损伤为目的，提升单兵的轻装机动与持续作战能力㊂对目前国内外无源被动外骨骼系统的研究现状进行了总结，分析了人机相容性机构设计技术㊁人机闭环运动链的负重力传递技术㊁助力效能评估技术和新材料结构功能一体化应用技术等关键技术，并对其未来的应用前景进行了展望㊂

关键词：无源被动外骨骼系统；研究现状；关键技术中图分类号：ＴＰ２４２ ６

ＰａｓｓｉｖｅＥｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎＳｙｓｔｅｍＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＡｎａｌｙｓｉｓ

ＬＩＱｉａｎｇ，ＺＨＯＵＪｉａｙｏｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｎｂｉｎ，ＺＨＡＮＧＡｎｇ，ＭＯＸｉｎｍｉｎ

（ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉａｎｙａｎｇＳｈａａｎｘｉ７１２０９９，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐａｓｓｉｖｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｙｓｔｅｍｄｏｅｓｎ ｔｎｅｅｄｅｎｅｒｇｙｓｕｐｐｌｙ．Ｔｈｅａｉｍｓａｒｅｔｏｒｅｄｕｃｅｐｈｙｓｉｃａｌｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｐｒｏｔｅｃｔ

ｓｋｅｌｅｔａｌｍｕｓｃｌｅｓｆｒｏｍｉｎｊｕｒｙｉｎｓｏｌｄｉｅｒｌｏａｄｉｎｇａｎｄｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｍａｎｅｕｖｅｒａｂｉｌｉｔｙａｎｄｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｏｍｂａｔｃａｐａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｄｅ⁃ｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｐａｓｓｉｖｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｙｓｔｅｍａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆ

ｈｕｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｃｌｏｓｅｄ⁃ｌｏｏｐｍｏｔｉｏｎｃｈａｉｎｆｏｒｈｕｍａｎ⁃ｍａｃｈｉｎｅ，ｔｈｅｐｏｗｅｒｅｆｆｉ⁃ｃｉｅｎｃｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｎｅｗｍａｔｅｒｉａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｐｒｏｓ⁃ｐｅｃｔｏｆｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅｗａｓａｌｓｏｆｏｒｅｃａｓｔｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｐａｓｓｉｖｅｅｘｏｓｋｅｌｅｔｏｎｓｙｓｔｅｍ；Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓ；Ｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

０㊀前言

科技革命和产业革命的蓬勃进步，催生了外骨骼行业的迅速崛起和发展，外骨骼助力系统的军事化应用可以极大地缓解士兵作战的高强度和高消耗［１

－２］

㊂

目前，外骨骼助力系统按照有无能源动力驱动可以分为有源驱动型外骨骼助力系统和无源被动外骨骼助力系统㊂有源驱动型外骨骼助力系统由于受限于现有的电池技术，无法持久地提供能量，影响该系统在野外作战中的持续使用㊂无源被动外骨骼助力系统作为一种新兴的助力系统，采用轻量化设计，无需外部能源，运用机械结构和人体运动负重原理，将士兵负重转移到身体上的合理位置或地面，能够协助士兵在战场上负载装备而不影响士兵的战术动作㊂

１㊀无源被动外骨骼系统国内外研究状况

目前，国外的外骨骼助力技术发展较快，已经由

从无到有 的发展阶段进入 从有到优 的新阶

段［３］㊂多国军方投入大量资源对被动柔顺关节㊁仿生

机械骨架等全新原理的机构构型开展研究，推出了多

种类型的无源被动外骨骼助力系统㊂

１ １㊀国外研究现状

２０１４年，洛克希德马丁公司开发的ＦＯＲＴＩＳ无动

力外骨骼系统（见图１）能巧妙地通过髋部㊁膝部和踝部的一系列机械关节将负载从操作者身体直接传递到地面，减少士兵所承受的装备重力㊂该外骨骼系统首先应用在了美国海军的造船厂中，可以有效提高生产效率并防止工伤，未来美国国防部希望将该项技术应用到更多的防务工作甚至战斗中［４］㊂

加拿大ＢｉｏｎｉｃＰｏｗｅｒ公司在２０１５年研制了一种被

动型可穿戴柔性外骨骼系统ＰｏｗｅｒＷａｌｋ（见图２），此系统利用膝关节弯曲时的主动速度带动发电机转动进行发电并蓄积，可为单兵随身电子设备充电，输出功率可达１０ １２Ｗ，节省了执行长期野外任务时的电池携带量和实地补给，还能在下坡行动时减少肌肉疲劳［５］㊂

图１㊀ＦＯＲＴＩＳ外骨骼系统㊀图２㊀ＰｏｗｅｒＷａｌｋ外骨骼系统

２０１５年，澳大利亚国防部发布ＯＸ新型无动力柔性外骨骼系统（见图３），该外骨骼系统质量不到３ｋｇ，可利用从肩部到脚部的２条鲍登钢缆实现柔性载荷传递，将背部背包负重转移至地面，平均助力效率超过５０％㊂ＯＸ新型无动力柔性外骨骼易于和穿戴者装备集成，不使用时可简单拆卸并放入背包携行，具有结构小巧㊁持久耐用㊁成本低等特点㊂

德国斯图加特工程研究机构ＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩＡＯ于２０１５年研制出Ｒｏｂｏ⁃Ｍａｔｅ无动力外骨骼系统（见图４），该外骨骼系统的肢体模组设计灵巧精密，可模仿人体肢体运动，并为手臂提供强有力的支撑，令使用者在搬移重物时力量增加到原来的１０倍㊂躯干模组可保护使用者的背部和脊柱，在托举重物时避免扭伤脊椎或椎间盘，腿部模组则为大腿内侧提供支撑保护

㊂

图３㊀ＯＸ外骨骼系统㊀㊀图４㊀Ｒｏｂｏ⁃Ｍａｔｅ外骨骼系统

２０１５年，卡内基梅隆大学与北卡罗来纳州立大学的研究员合作发明出一种无动力踝关节外骨骼系统（见图５），它能帮助人更加轻松省力地行走㊂该装置采用轻小坚固的碳纤维制成，通过离合器在脚着地时啮合㊁脚抬起时松开来模拟人体行走时的肌肉表现，减少行走时的能量消耗㊂

美国加州ＳｕｉｔＸ公司在２０１６年发布了一款ＭＡＸ无源机械外骨骼系统（见图６），由ＢａｃｋＸ㊁Ｓｈｏｕｌｄｅ⁃ｒＸ和ＬｅｇＸ三个模块组成，将分别对用户的背部㊁肩

部及腿部给予支撑和保护，３个模块既可组合使用也

可以根据具体场景单独使用㊂ＭＡＸ无源机械外骨骼已经在一些建筑工地㊁工厂和仓库中工作的工人身上进行行业试用，可以为工人的肌肉和骨骼带来强有力的支撑，从而帮助他们比以往更轻松地完成一些如下蹲㊁肢体弯曲或手臂抬升等重复艰苦的体力劳作［６］㊂

图５㊀无动力踝关节外骨骼系统㊀㊀图６㊀ＭＡＸ外骨骼系统

美国ＥｋｓｏＢｉｏｎｉｃｓ公司于２０１７年研制了ＥｋｓｏＶｅｓｔ上肢辅助支撑外骨骼系统（见图７），由腰部支撑㊁背部支架以及２个护臂组成㊂ＥｋｓｏＶｅｓｔ只有４ ３ｋｇ，但是能够提供２２ ６８Ｎ的支撑力㊂ＥｋｓｏＶｅｓｔ将抬起手臂的力量分散到腰部以及臀部，协助支撑穿戴者的双臂以进行更稳定的操作，大幅降低受伤概率，提高工作效率㊂目前，该系统已经在福特汽车公司和波音公司的生产线中得到应用［７］㊂

２０１７年，瑞士Ｎｏｏｎｅｅ公司开发出 无椅之椅 外骨骼系统（见图８），该系统由聚酰胺制成，整体质量不到２ｋｇ，轻便耐用㊂这种 无椅之椅 外骨骼是专为生产工人打造的，尤其是经常需要保持姿势劳动的人㊂当他们俯身㊁蹲下时，可以触发开关调节和锁定两条机械腿膝盖处的部件，使外骨骼在一定的高度和宽度位置进行固定［８］㊂

图７㊀ＥｋｓｏＶｅｓｔ外骨骼系统㊀㊀㊀㊀图８㊀外骨骼座椅

加拿大ＭＡＷＡＳＨＩ公司于２０１７年设计开发的

㊃７５１㊃第５期李强等：无源被动外骨骼系统研究现状与关键技术分析

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