无源外骨骼——新时代的纯机械之美

引子

在过去三年间,科瑞尔的经济体系变得越来越仰赖核能科技,而这些科技都是我们引进的,也只有我们能提供维修服务。现在我们来假设一下,当那些微型核能发电机停摆了,而各种小器具也一个接一个失效时,究竟会发生些什么事?

“首先发生问题的是小型的家用核能装置。经过半年你所谓的胶着状态之后,主妇的核能削刀就失灵了。核能烤炉、洗衣机也停摆了。在炎热的夏天,温湿度调节器也罢工了。这会导致什么结果?”

马洛停下来等待对方回答。瑟特以平静的口吻说:“什么都不会。因为他们的无源外骨骼还能继续工作。

——改编自《银河帝国:基地》


什么是无源外骨骼(Passive Exoskeleton)

要说无源外骨骼的历史,早在1890年的美国专利[1]中,就有人提出了无源外骨骼的粗浅概念。将弹簧片从腰后部连到前脚掌,运动时利用复杂的机构,将弹簧片的弹力作用于下肢,从而辅助人行走、跑、跳。

虽然不见得这个装置能够得到实现,也不见得这个装置真的能够帮人走路省力,或者说这个装置会不会反而影响正常行走。

但是,该装置的设计理念却揭示了下肢无源外骨骼的核心理念——合适时机下的能量回收与释放。

(这里就先不谈上肢无源外骨骼了。上肢无源外骨骼由于应用方向目前局限于工业辅助支撑,故其核心理念就不再是能量回收与释放了,而是类似一种随启随用的支具的概念)

无源如何助力?

下肢无源外骨骼并不是没有能量来源,而是没有外部能量来源。不同于动力外骨骼提供的源源不断的驱动能量,无源外骨骼的能量来源主要是人在运动中无用功消耗掉的那些能量。

在这里做动力学计算未免显得有些无聊,不如用几个例子来说明,人类运动时消耗了哪些能量:

  • 人的步行运动是类摆运动。足底着地时踝、膝关节吸收地面冲击力,随即支撑起身体重量,支撑腿相当于固定在地面的倒摆,靠髋部大腿肌肉发力摆动上身重心,并用脚掌蹬地提供下一周期的前进动力。在不负重的情况下人的步行是很高效的,但大负重下的步态会“变形”,因此也变得没那么高效了。
动图封面
借用Soft Exosuit的人体行走生物力学动画,不同时刻的黄色部分为步态中发力的肌肉
  • 人的跑步动作类似于双腿交替的“单腿弹跳动作”,因此在跑动中人的重心是呈波浪形移动的。下肢的摆动、屈伸不仅提供前进的动力,也在竖直方向上上下下的运动中消耗不少能量。
动图封面
  • 高处下落后着地,为了让上半身更平缓地减速,踝、膝关节屈曲,腿部肌肉综合发力,维持身体平衡并抵抗冲击力。
  • 爬楼梯,膝关节大角度屈曲,大腿抬举身体所需要的肌肉发力比走路更大了。
  • 屈身前进,为了降低身体高度,要弯曲膝关节,蹲着走路自然要比直立走费力,因此这种战术动作耗能高。
  • 弯腰搬起重物,如果腿伸直,那主要由腰后部肌肉群发力弯起上身。如果腿弯曲,腿部就要分担一部分抬起力。当重物较重时,搬起重物通常比搬着重物要费力,因为后者只使出平衡重物的力。

这些运动中被动消耗的能量,通过适当地力传递与能量储存,并在运动中需要人体肌肉做出正功的时候释放这些能量、输出助力,就能减轻人体肌肉负荷,从而省力。这就是无源外骨骼的助力原理。

那么具体怎么个出力方法呢?这就是各类无源外骨骼机构设计的门道了。

弹性元件的储能

储能的方法有很多,弹性元件储能是最常见的一种方式。

一根被伸长或压缩的弹簧,外力做的功转化成其弹性势能。当它的形变保持不变时,这个弹性势能也就保持着,直到作用于其上的外力不及弹力,形变变小,弹性势能也就释放了。

很多时候,传统的弹簧不能满足空间要求,或者弹力-形变曲线的要求,因此研究者会用一些其他弹性元件代替弹簧。如:

  • 弹力带、弹力绳
  • 扭簧、卷簧、弹性体
  • 气弹簧、气动人工肌肉
  • 形状记忆合金
  • 液体弹簧

当然,如果对“无源”的要求更高一些的话,那么气动人工肌肉、形状记忆合金之类的也并不能称为“完全无源”。毕竟形状记忆合金总是需要一些外部的电刺激,或者热刺激来改变特性,气动人工肌肉也需要气源。

但是目前倒是有一家日本的INNOPHYS公司另辟蹊径,手动把气打到气动肌肉,使其成为气弹簧来助力,什么时候用什么时候打气,算是一种折中的设计。

左:实验版本(需要气源),右:商用改进版本(手动打气)

力的释放

显然在腿上或者身子上直接加弹性元件是行不通的,不然1890年的那套装置就早已广泛使用。弹性元件储存的能量需要在恰当的时机释放。

这个“恰当时机”就很微妙,因为不同运动动作需要的助力方式都略有不同,很难用一个无源外骨骼满足所有助力情况,所以很多无源外骨骼一般都是单关节驱动,且只适用于某一个场景。

比如,腰部助力无源外骨骼通常只对髋关节助力,在上身抬起阶段减轻腰背部肌肉群的疲劳。步行助力无源外骨骼则通常对踝部助力,在支撑腿蹬地瞬间提供弹力以增加行走效率。步行负重无源外骨骼通常对膝部助力,在步态周期中为支撑腿的膝关节提供高刚度以支撑上半身的负重。

典型的三种单关节助力无源外骨骼。左:PLAD腰部搬运助力外骨骼;中:卡耐基梅隆大学的踝部行走助力外骨骼;右:普力膝部负重助力外骨骼;

下面分别就这三款典型的外骨骼阐释它们具体是如何助力的

对于PLAD,知乎上已经有答主专门研究啦,我就不班门弄斧了

腰椎助力外骨骼之PLAD21 赞同 · 12 评论文章


卡耐基梅隆大学的踝关节外骨骼

卡耐基梅隆大学的踝关节外骨骼露面于2015年的nature的letter[2]上,是对踝关节助力机制的经典运用。整个装置如下图。

该外骨骼助力的核心在于离合机构与弹簧的配合。这个离合器实现的功能类似于老式电灯的那种拉绳开关,但又有所不同。

在步态周期的摆动相时,棘爪是打开的,棘轮上的滑轮可以在两个销之间自由旋转(张紧弹簧会对旋转有一定阻力但不大),这个装置不影响踝关节的自由运动。

在步态到达支撑相后,踝关节开始屈曲,后跟连的拉绳也开始拉着滑轮顺时针旋转。当支撑脚到达支撑相中期,即支撑腿相对脚掌垂直时,滑轮旋转到一个位置,使接合销向下把棘爪按回到棘轮上,由于棘爪下方有个卡销结构,棘爪卡到左侧后就被卡销卡住了,同时棘爪也卡住了棘轮,所以拉绳长度被限死。

支撑相中期到末期这一阶段,踝关节继续屈曲,此时装置后跟与离合器直接的距离变长就全靠弹簧被拉伸。也就说,在脚掌蹬地的这个阶段,后跟相当于连了根已经拉伸的弹簧,这样脚掌蹬地的力一部分就让这个弹簧的拉力给提供了,那相应的人小腿肌肉的收缩力就需求少一些,从而达到行走助力的效果。

蹬地完成后进入摆动相,踝关节迅速伸展,后跟到离合器的距离也迅速减小,离合器中的张紧弹簧拉着滑轮逆时针旋转,使得脱离销向上顶开了棘爪,棘爪被顶到右边并被卡销卡住,从而打开,棘轮又可以自由旋转了。一个周期结束。

视频会更加直观地展示这一过程:

卡耐基梅隆大学踝关节外骨骼离合机构1085 播放 · 4 赞同视频​

一个小小的问题是,为什么人在支撑相末期克服了弹簧的拉力,我对弹簧做功了,在蹬地的时候弹簧只是把我对它做功的能量反馈回来而已,那这个装置为什么能提高行走效率呢?

低情商:人的支撑腿踝关节在蹬地前的屈曲动作并不主要是肌肉发力驱使的,更多的是人的重心前移、上半身向前的速度与相对靠后的脚掌共同造成了踝关节的屈曲,因此让弹簧伸长并不主要是人在做功,而是有一部分重力在做功。所以整个装置只是提高了能量的利用效率而已,让使你倾倒的这部分能量转化到使你前进上去。

高情商:自行车骑起来也吃力,但它却能极大地提高你移动的效率。

总的来说,这款外骨骼思路巧妙,对行走助力的理解十分经典。


牛迪科技的普力外骨骼

牛迪科技的第二代普力外骨骼可谓是为PLA涨足了面子。去年8月份的解放军卫勤演练中,一医护兵姐姐背一大汉子不喘气,用的外骨骼,和去年12月份西藏3D打印中为边防战士送生活物资用的外骨骼,都是它。

第二代普力外骨骼宣传视频截图

B站宣传视频:

卫勤新装备-单兵救援外骨骼首次曝光!​www.bilibili.com/video/BV1xh4119785

科技感十足!#西藏边防战士穿单兵外骨骼送货#_哔哩哔哩 (゜-゜)つロ 干杯~-bilibili​www.bilibili.com/video/BV12f4y1Y7HM

说实话,这期讲无源外骨骼,就是前不久看到牛迪外骨骼的表现后立的一个flag。本想紧跟时事,但是过去这么久了才开始写,看来懒是阻碍我进步的一大因素

咳咳,回到正题。

牛迪科技的普力外骨骼最先是亮相在2018年的央视节目《创业英雄汇》上,当时的第一代普力外骨骼还是如下的样子。

穿戴者及设计者是国防科技大学出身的袁博博士,也是牛迪科技的创始人

2018年那一期节目链接在下方。同一期还有另外一个国内外骨骼企业“铁甲钢拳”的创始人王潮参加,节目挺有趣的,大家可以去看一下。

《创业英雄汇》 20181102​tv.cctv.com/2018/11/02/VIDEA0C2NMglh7OgjI9XdinP181102.shtml

第一代普力外骨骼的技术原理

首先,当然得找得到其对应的专利[3]。这个专利里除了膝关节结构外,还介绍了其他诸如棘轮挂钩结构、腰部复位弹性结构、踝部缓冲弹性结构等,这里重点介绍其比较核心的膝关节结构。

第一代普力外骨骼的负重省力思路是:为支撑腿的髋、膝、踝关节提供弹力和阻尼,利用膝关节完全伸直后的两连杆死点位置传递上部分的负重,并通过踝部的缓冲弹性结构和脚踏传递到地面。

简单来说,就是膝盖加弹簧,让你跪不下去(雾)

接下来详细分析结构原理

髋、膝、踝关节在矢状面的自由度都使用了模块化的快拆关节,快拆关节的结构示意图如下图所示:

快拆关节的爆炸示意图

每个快拆关节中,都包含一个可调液体阻尼模块,和一个可调双向弹力模块,前者提供关节的阻尼,后者提供关节的回弹力。

如下图,可调阻尼模块内部的导流槽充满了阻尼液,杆2相对杆1转动时,会带动一块像梳子一样的板子在圆弧槽内扫动,推动阻尼液沿上部分的4条缝隙中流动。由流体力学可以知道,缝隙越小液体流动的阻力越大,而调节上面其中2条缝隙的大小,只需拧调节螺钉,使楔形块左右移动就能实现。

可调阻尼模块剖向视图

而可调双向弹力模块原理相对简单些,如下图所示。提供回弹力的是扭簧,扭簧一端连外圈蜗轮环,另一端固定在与杆2连接的花键孔环。这个外圈蜗轮与调节螺钉固定的蜗杆就可以调节回弹力初始的大小,由于蜗轮蜗杆传动的自锁性,调节完毕后蜗轮位置不会被花键孔环的反弹力所影响。至于双向调节,那就来两套蜗轮蜗杆。

那么为什么需要双向调节呢?我想,是因为在行走动作中,我们对膝关节的屈曲运动和伸展运动的要求是不同的。我们希望膝关节在支撑的时候“硬”一点,这样好传递力,因此要加大屈曲时的刚度。在摆动的时候外骨骼不要过度阻碍向前伸腿,希望“软”一点,因此需要减小伸展时的刚度。

可调双向弹力模块的剖向视图

除此之外,为了实现快拆要求,快拆关节还设计了一种弹珠解锁结构,如下示意图所示。

快拆关节快速安装步骤

为了展示方便,这个示意图将花键轴简化成了方隼轴,将花键孔环简化成了方孔环,因为其实现的功能都是传递扭矩。类似于折叠伞的伞骨伸长结构里的弹珠,方隼轴内也有一个弹珠,还有一个被弹簧顶向外侧的内杆。

如果按入内杆,弹珠就会落入内杆中的凹槽里,方隼就可以畅通地插入杆2中的方孔环中。当方隼轴的弹珠孔与方孔环末端的弹珠孔对齐,并松开方隼的内杆,弹珠就会被内杆顶出到方孔环末端的弹珠孔中,方隼轴也就被轴向限死了。

想要快速拆除杆2,只需要再按住内杆,弹珠就又会掉入内杆的凹槽内,方隼轴就可以畅通地抽出来了。

当然,这个专利还介绍了其他有意思的结构,这里不再赘述。

为了实现有序地关节传力,仅仅是这个小小的关节,就有着精妙的结构!不知道屏幕前的你是否感受到了一种机械之美。

第二代普力外骨骼

实现对膝关节的弹力反馈,也不止直接加扭簧这一种方式,如之前所说,可以通过恰当的力传递获得对关节的等效刚度,而第二代普力外骨骼就是用的这种方式。

找到最新一代普力外骨骼的专利文件,开始学习[4]

第二代普力外骨骼的负重助力原理是:大小腿护具中环绕着一根闭合拉线,通过大小腿护具中内置的弹性蓄能模块为拉线提供张力,而膝关节处的凸轮结构会在膝关节屈曲时增加拉线的张力,为膝关节提供抵抗屈曲的力矩。因此即使在膝关节弯曲的时候,后背的负重也能通过腿杆传递到地面,从而为人体膝关节分摊负重,达到负重助力的目的。

简单来说,也是给膝关节加弹力,让你跪不下去,但是弹簧却安装在其他地方。

接下来详细分析结构助力原理

首先看这个凸轮关节是什么样的,如下图。

凸轮关节示意图

当穿戴者膝关节完全伸直的时候,外骨骼的膝关节是反曲的。关节反曲是为凸轮服务的,因为初始反曲,所以不发生干涉的屈曲允许角度更大了,因此外骨骼能够允许穿戴者做蹲的动作。外骨骼膝关节反曲时,拉线直接从上方的被动滑轮绕到下方护具的滑槽里,没有接触凸轮,此时拉线绕过膝关节的长度是最短的。

当穿戴者膝关节开始屈曲时,穿戴者的腿带动护具弯曲外骨骼膝关节,使外骨骼膝关节逐渐从反曲到伸直,再到正向弯曲,拉线在膝关节的路径也逐渐经过半个凸轮,到整个凸轮。

拉线在膝关节这里长度变长了,就得在其他地方把长度补回来,也就是在大腿弹性蓄能模块处补回来。如下图所示,当膝关节屈曲,弹性模块两边拉线往下拉,中间的气缸收缩并提供弹力,这个弹力就转化成了拉绳的张力。

弹性蓄能模块示意图

弹性蓄能模块产生的拉绳张力又回馈到膝关节凸轮上,凸轮杆受力分析如下图所示。

假设大腿杆件相对固定,当外骨骼承受负重时,如果膝关节此时为屈曲状态,则凸轮杆受到两端拉绳拉力、凸轮旋转轴的支持力,以及负重带来的使关节屈曲的力矩。由于来自右边的拉绳拉力方向与凸轮轴相交,故左边拉绳拉力,和支持力共同提供了使凸轮杆逆时针转动的抵抗力矩。

这个抵抗力矩能够抵消一部分负重导致的膝关节屈曲力矩,从而使穿戴者的膝关节少贡献一些抵抗力矩,进而减轻人体负重负担。

凸轮杆受力分析示意图

这种结构在人腿两侧都有凸轮关节,而且共用一根拉绳,因此两个凸轮关节提供的助力力矩是同步的。但是在人腿内侧也占用一定的空间,会影响人体行走正常步态,因此该外骨骼也有单侧助力版本,只在人体外侧才有凸轮关节。事实上,在上面公布的视频中出现的版本就是单侧助力版本,如下图所示。

膝关节单侧助力普力外骨骼版本,图①的护具与实际使用版本的护具(图②③④)有所不同

单侧助力版本的原理与双侧助力的相似,都是利用拉绳与弹性蓄能模块配合,让膝关节在屈曲时受到抵抗力矩。

那么问题来了,为什么要使用凸轮+拉绳的方案,与之前的快拆关节方案相比的优势在哪里?

1.护具与关节一体化,减小体积增加舒适性:

从总体上来看,第一代普力外骨骼与人体下肢绑缚的只有小腿,第二代增加了大腿绑缚,与人体贴合程度更高了。贴合度高意味着能够做更多复杂的战术动作,且对原有动作姿势影响不大。

左:第一代普力外骨骼;右:第二代普力外骨骼。可见第二代的人机贴合度更高

2.凸轮与弹性蓄能模块的组合能够带来更多的适应性:

第一代的快拆关节可以单独调节关节刚度与阻尼特性,但是扭簧终究是扭簧,由于模块关节内部狭小空间的约束,很难做出更多的变数,刚度特性也只能用大与小来描述。

但是加入凸轮后,膝关节屈曲运动的刚度特性就可以“函数表达”了。我们知道凸轮的外廓是可以通过函数曲线描述,使用不同的函数曲线,就可以让作用于其上的拉绳获得不同的位置、速度、加速度特征。也就是说,针对不同的膝关节屈曲角度,可以设计不同的凸轮适配其动力学特征。

凸轮外廓曲线与函数表达

与此同时,弹性蓄能模块安装在空间足够的护具里,可扩展性也大大增加。现在用的是气弹簧,也可以换成非线性弹簧、气液混合弹性阻尼器,等等。

还有,拉绳的缠绕方式也可以做做改进,反正护具能够容纳的空间大,加入一些滑轮组来放大张力也不是不可能。

专利里提到的一种滑轮组绕绳方式

甚至,如果要升级成有源外骨骼,将被动弹性元件换成主动驱动器,获得可控的拉绳张力,也不是不可。

想想就刺激。


尾声

通过以上几个例子我们可以看到,无源外骨骼并不是所谓的“简简单单”的机械结构。要做出好的无源外骨骼,不仅需要精巧的结构,更需要对人体这个复杂生物的运动力学深刻理解。

面对纯机械,除了前人黄金时代积淀下的汪洋大海,我们已经很难对它进一步的思考。无源机械外骨骼的出现,再一次向时代吼出了机械的呐喊。在对无源外骨骼的结构探寻中,我们得以在放大镜中一窥那来自机械的魅力。

希望这不会是最后一期关于无源外骨骼的介绍文章,相信未来会有更加令人惊叹的无源外骨骼出现。


部分图片来自网络

甲说,微信公众号与知乎专栏同步更新,几乎

参考

  1. ^YAGN N. APPARATUS FOR FACILITATING WALKING[M]. Google Patents. 1890.
  2. ^COLLINS S H, BRUCE WIGGIN M, SAWICKI G S. Reducing the energy cost of human walking using an unpowered exoskeleton[J]. Nature, 2015, 522(7555): 212–215. DOI:10.1038/nature14288.
  3. ^袁博. 一种外骨骼: 201910500997.X[P]. 2018.
  4. ^袁博. 一种膝关节外骨骼: 202010624997.3[P]. 2020.

https://zhuanlan.zhihu.com/p/346374715

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