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。
- 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。
- 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。
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。
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
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。
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~-bilibiliwww.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。
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》 20181102tv.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：
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
- ^YAGN N. APPARATUS FOR FACILITATING WALKING[M]. Google Patents. 1890.
- ^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.
- ^袁博. 一种外骨骼: 201910500997.X[P]. 2018.
- ^袁博. 一种膝关节外骨骼: 202010624997.3[P]. 2020.
https://zhuanlan.zhihu.com/p/346374715