如何设计外骨骼

外骨骼必须轻便、紧凑、强大、可靠和易于使用——还有什么能更容易呢?世界各地的许多开发者都涉足这一领域，并取得了不同程度的成功。VariLeg增强团队的负责人Christian Bermes解释了这一切归结起来的原因。

力学

“用机电系统模拟人类步态是一个巨大的工程挑战。支撑人的结构必须尽可能轻，同时也要坚固，因为每增加一公斤都会对驱动系统产生影响。因此，人们经常使用碳等轻质材料。同样重要的是外骨骼不能太宽，因为飞行员必须能够毫无困难地通过任何一扇门。”

驱动器

由马达和齿轮头组成的驱动系统必须提供高扭矩。巨大的力量在起作用，尤其是上下楼梯的时候。同时，需要高水平的动力学，因为电机必须不断改变旋转的方向，由于行走运动。我们的最后一个愿望是设计紧凑，占用尽可能少的空间。”

用户界面

“飞行员需要完全控制他们的运动，所以运动控制必须容易接近和直观的设计。此外，为了确保界面可靠地传递起作用的巨大力，同时也保护飞行员的敏感皮肤，它必须单独调整到飞行员的腿部和躯干。”

飞行员和经验

“这可以说是最重要的一点。外骨骼在实践中工作的好坏主要取决于飞行员，他们必须习惯机器人的帮助，并学习如何使用它以达到最佳效果。有些人更依赖力量，有些人更依赖技术。不管怎样，这都需要大量的训练。”

自由度

应该有多少个自由度?这是个棘手的问题。外骨骼设计师通常选择每条腿有两个自由度，所以只有臀部和膝盖可以运动。这样做的好处是:更轻的重量，更简单的控制系统，因此更少的误差来源。然而，也有可能有三到四个自由度。这意味着你可以有横向运动，例如，或额外驱动踝关节。这给了飞行员更多的行动自由，并增加了在不平地面上的稳定性。另一方面，这会使整个系统更重、更复杂，也会降低电池寿命。”

软件

“乍一看，控制较少的自由度似乎很简单。然而，当你深入到细节时，实现是相当复杂的。这是因为许多不同的运动必须通过安全功能来控制和防止事故。此外，整个外骨骼应该进一步开发与飞行员合作。这只能通过一个可行的软件架构来实现。”

Christian Bermes, VariLeg enhanced团队负责人，rapperswill高铁应用科学大学自动化和机电一体化教授。

新的VariLeg外骨骼与马达两倍的动力

VariLeg增强团队正在为Cybathlon 2020开发和建造外骨骼。然而，正在进行的项目与2016年参加苏黎世联邦理工学院的VariLeg团队没有什么关系。目前的外骨骼是作为一个学生项目开发的。来自苏黎世联邦理工学院和高铁应用科学大学rapperswill的混合团队目前正在研究机器人系统的完成。系统有两个自由度。两侧各有两台无刷平板马达，用于移动臀部和膝盖。这些可提供高达600w的功率。

奥托·奈臣，马克森医疗业务发展“最重要的是，外骨骼驱动必须很轻。低的身高也很重要。同时，然而，高功率密度和动态需要，因为电机必须改变旋转的方向频繁和非常快。在maxon，我们目前正在开发一个新的电机产品平台，专门为满足机器人市场的需求而设计。这些新的驱动器是基于EC-i无框架的概念。根据应用和要求，它们可以与合适的齿轮头组合在一起。”