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上海电机学院机械学院
【摘 要】如今外骨骼研究风头正劲，人们希望将人类变身为机器人，可以不增加负重却可以提升运动能力，可以“飞檐走壁”。目前大部分外骨骼都需要依靠马达和电池组供电作为动力源，还有的通过采用空气压缩系统以实现人类行走能耗的降低。本文设计了一种用于体育医疗康复领域，特别是无需使用外部电源，而是将原本人行走时自身所需要消耗的重力势能以弹性势能的形式储存起来，以帮助在下一次动作时将弹性势能转化为生物能，实现人类行走更加轻松省力。
【关键词】负重；外骨骼；能量转化；非循环
引言
直立行走—人类高度进化的表现，是可以通过人工技术得以改进，然而采用电池组或者是利用空气压缩系统实现能耗的降低是很不方便的，因为以下几点原因：第一，电池组或是空气压缩系统本身自重就很重，将其安装到人的身上，大部分能量被消耗到繁重的机器上，达到的效果可能反而会适得其反。第二，电池组不环保，不可循环，助走距离有限，不适用于长时间行走的人们，使得其目标人群显著缩小到智能用于康复治疗。第三，电池组和空气压缩系统对于非循环动作会有怎样的作用，比如当人们做出站立、转身、站起、坐下等动作时，它们也许达不到节省能耗的效果。该装置不仅可以对循环动作起到助力负重的作用，同时可以实现对非循环动作也起到相应的效果。例如人们站立、转身，站起、坐下等动作时，同样达到节省能好的效果。同时该装置目标人群广，将会适用于行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓损伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员 。
1.工作原理及设计方案
经研究发现与大多数肌肉不同，小腿肌肉的“启动”不是通过变短或收缩，而是在需要的时，为跟腱的伸展和反冲提供刚性连接，弹簧抓住了人行走时产生的势能并将其储存利用。
该装置所要解决的技术问题是：为有效的帮助行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓损伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员，提供一种助走外骨骼，将人行走时自身所需要消耗的重力势能以弹性势能的形式储存起来，以帮助在下一次动作时，将弹性势能转化为生物能，实现人类行走更加轻松省力。 外骨骼设计图如图（1）所示：
2.关键结构设计
该装置所采用的技术方案是：一种负重助走外骨骼包括骨骼框架本体、能量转换装置、助力缓冲装置、绑带等固定装置。
该装置主要包括：外骨骼本体、绑腿、直线轴承、弹簧、传动杆、直线轴承、滚珠
2.1骨骼框架本体
通过人机分析，设计出合适的最合适的骨骼大小，以实现适合大部分人群，同时设计有微调单元，可调节的绑带和固定扣可以实现将该骨骼舒适合理的与人体完美的结合，以减少甚至消除因长时间佩戴外骨骼而带来的不适感。
2.2能量转换装置
能量转换装置刚度很强的传力杆和传力带、能够将重力势能传递到助力缓冲装置，同时传力杆的末端安装有万向走珠，防止因突出的传动装置而发生将人们绊倒的情况。
2.3助力缓冲装置
助力緩冲装置与外骨骼相连，位于脚底，其作用在于助力与缓冲，是一中弹性较强的材料，走路是指在一次循环动作中（所谓的循环动作是指一脚初次触地，直到同样的脚再次触地的过程），走路是由站立支撑及摆动期两个阶段形成，当一腿进入站立期时，另一腿则处于摆动期。在走路过程中，一只脚是在人体另一只脚处于站立期时完成向前向后摆动的动作的，之后脚会落地面洗手冲击力。该缓冲助力装置在将重力势能转化为弹性势能的同时起到了缓冲冲击力的效果，从而使人体需要处理的冲击力减小，这样有效的帮助长期的涉足者减少疲劳，从而行走更远的距离。
经研究实验，该装置可以帮助减少人体行走时14%的能耗，远远高于空气压缩系统6%的能耗，同时结构简单，该装置重量仅有300～500g，不会给行走带来额外的负重，不然靠它节省的力气不就白费了。
3.所述负重助走外骨骼具体运行方式为
以一个循环走路或者跑步动作为例（所谓的循环动作是指一脚初次触地，直到同样的脚再次触地的过程），在一个循环动作中，当一只脚处于站立期，则另一只脚处于摆动期，在摆动脚结束落地进入站立期的同时，传动杆在重力的作用下被顶起，滚珠会与地面有一个相对的滑动（防止人在走路时因装置与地面摩擦过大而绊倒），弹簧在传动杆的作用下被拉动，导致弹簧被拉伸，一个循环动作完成，该过程中重力势能被储存转化为弹性势能，同时吸收了脚在落地的一瞬间产生的冲击，该脚进入下一个摆动期的同时储存的弹性势能被释放，该装置同时承担了人的一部分体重，缓冲了人行走时对关节等的冲击力，减少了人走路时的能耗，而其环保，可循环无限制，同时结构简单，可操作性强便与实现，该装置采用直线轴承，减小了传动杆与外骨骼本体的摩擦和噪音，减少了能量的损失，增强了该机构的实用性。
该装置同时适用于非循环动作，只要人体与地面接触就会有重力势能做工储存为弹性势能，在进入运动状态前弹性势能会释放，原理与循环动作完全相同，同时该装置重量仅有300-500g，不会给行走带来额外的负重。
4 .结束语
该装置适用人群广，可适用于将会适用于行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓損伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员，在未来具有很强的推广性。同时，该发明可以帮助减少人体行走时14%的能耗，远远高于空气压缩系统6%的能耗，同时结构简单，，很好的解决目前外骨骼存在的问题，具有很强的实用性。
参考文献：
[1]李荣兵，余心明，苑爱峰，戴青，全自动黑板除尘器的机械结构设计，2009，05，22（3），90-91.
[2]杨家军，张卫国，机械设计基础，华中科技大学出版社，2003.
[3]张莹，机械设计基础，机械工业出版社，1997.
[4]张建明，机电一体化系统设计，高等教育出版社，2000.
【摘 要】如今外骨骼研究风头正劲，人们希望将人类变身为机器人，可以不增加负重却可以提升运动能力，可以“飞檐走壁”。目前大部分外骨骼都需要依靠马达和电池组供电作为动力源，还有的通过采用空气压缩系统以实现人类行走能耗的降低。本文设计了一种用于体育医疗康复领域，特别是无需使用外部电源，而是将原本人行走时自身所需要消耗的重力势能以弹性势能的形式储存起来，以帮助在下一次动作时将弹性势能转化为生物能，实现人类行走更加轻松省力。
【关键词】负重；外骨骼；能量转化；非循环
引言
直立行走—人类高度进化的表现，是可以通过人工技术得以改进，然而采用电池组或者是利用空气压缩系统实现能耗的降低是很不方便的，因为以下几点原因：第一，电池组或是空气压缩系统本身自重就很重，将其安装到人的身上，大部分能量被消耗到繁重的机器上，达到的效果可能反而会适得其反。第二，电池组不环保，不可循环，助走距离有限，不适用于长时间行走的人们，使得其目标人群显著缩小到智能用于康复治疗。第三，电池组和空气压缩系统对于非循环动作会有怎样的作用，比如当人们做出站立、转身、站起、坐下等动作时，它们也许达不到节省能耗的效果。该装置不仅可以对循环动作起到助力负重的作用，同时可以实现对非循环动作也起到相应的效果。例如人们站立、转身，站起、坐下等动作时，同样达到节省能好的效果。同时该装置目标人群广，将会适用于行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓损伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员 。
1.工作原理及设计方案
经研究发现与大多数肌肉不同，小腿肌肉的“启动”不是通过变短或收缩，而是在需要的时，为跟腱的伸展和反冲提供刚性连接，弹簧抓住了人行走时产生的势能并将其储存利用。
该装置所要解决的技术问题是：为有效的帮助行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓损伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员，提供一种助走外骨骼，将人行走时自身所需要消耗的重力势能以弹性势能的形式储存起来，以帮助在下一次动作时，将弹性势能转化为生物能，实现人类行走更加轻松省力。 外骨骼设计图如图（1）所示：
2.关键结构设计
该装置所采用的技术方案是：一种负重助走外骨骼包括骨骼框架本体、能量转换装置、助力缓冲装置、绑带等固定装置。
该装置主要包括：外骨骼本体、绑腿、直线轴承、弹簧、传动杆、直线轴承、滚珠
2.1骨骼框架本体
通过人机分析，设计出合适的最合适的骨骼大小，以实现适合大部分人群，同时设计有微调单元，可调节的绑带和固定扣可以实现将该骨骼舒适合理的与人体完美的结合，以减少甚至消除因长时间佩戴外骨骼而带来的不适感。
2.2能量转换装置
能量转换装置刚度很强的传力杆和传力带、能够将重力势能传递到助力缓冲装置，同时传力杆的末端安装有万向走珠，防止因突出的传动装置而发生将人们绊倒的情况。
2.3助力缓冲装置
助力緩冲装置与外骨骼相连，位于脚底，其作用在于助力与缓冲，是一中弹性较强的材料，走路是指在一次循环动作中（所谓的循环动作是指一脚初次触地，直到同样的脚再次触地的过程），走路是由站立支撑及摆动期两个阶段形成，当一腿进入站立期时，另一腿则处于摆动期。在走路过程中，一只脚是在人体另一只脚处于站立期时完成向前向后摆动的动作的，之后脚会落地面洗手冲击力。该缓冲助力装置在将重力势能转化为弹性势能的同时起到了缓冲冲击力的效果，从而使人体需要处理的冲击力减小，这样有效的帮助长期的涉足者减少疲劳，从而行走更远的距离。
经研究实验，该装置可以帮助减少人体行走时14%的能耗，远远高于空气压缩系统6%的能耗，同时结构简单，该装置重量仅有300～500g，不会给行走带来额外的负重，不然靠它节省的力气不就白费了。
3.所述负重助走外骨骼具体运行方式为
以一个循环走路或者跑步动作为例（所谓的循环动作是指一脚初次触地，直到同样的脚再次触地的过程），在一个循环动作中，当一只脚处于站立期，则另一只脚处于摆动期，在摆动脚结束落地进入站立期的同时，传动杆在重力的作用下被顶起，滚珠会与地面有一个相对的滑动（防止人在走路时因装置与地面摩擦过大而绊倒），弹簧在传动杆的作用下被拉动，导致弹簧被拉伸，一个循环动作完成，该过程中重力势能被储存转化为弹性势能，同时吸收了脚在落地的一瞬间产生的冲击，该脚进入下一个摆动期的同时储存的弹性势能被释放，该装置同时承担了人的一部分体重，缓冲了人行走时对关节等的冲击力，减少了人走路时的能耗，而其环保，可循环无限制，同时结构简单，可操作性强便与实现，该装置采用直线轴承，减小了传动杆与外骨骼本体的摩擦和噪音，减少了能量的损失，增强了该机构的实用性。
该装置同时适用于非循环动作，只要人体与地面接触就会有重力势能做工储存为弹性势能，在进入运动状态前弹性势能会释放，原理与循环动作完全相同，同时该装置重量仅有300-500g，不会给行走带来额外的负重。
4 .结束语
该装置适用人群广，可适用于将会适用于行走困难者例如：老年人、或是有不完全性脊髓損伤，或是多发性硬化症的人和长途跋涉的军事人员，在未来具有很强的推广性。同时，该发明可以帮助减少人体行走时14%的能耗，远远高于空气压缩系统6%的能耗，同时结构简单，，很好的解决目前外骨骼存在的问题，具有很强的实用性。
参考文献：
[1]李荣兵，余心明，苑爱峰，戴青，全自动黑板除尘器的机械结构设计，2009，05，22（3），90-91.
[2]杨家军，张卫国，机械设计基础，华中科技大学出版社，2003.
[3]张莹，机械设计基础，机械工业出版社，1997.
[4]张建明，机电一体化系统设计，高等教育出版社，2000.