图4-1 人类下肢实现动作
Fig.4-1 Human lower limb's movement
外骨骼与人并联同步行走，从仿生学的 角度出发，依据人类下肢自由度为下肢外骨骼设计自由度。髋关节三个自由度，分别实现身体的弯曲/直立，左右的转身，以及大腿的外展/内收。膝关节设置一个自由度，实现小腿与大腿间的弯曲运动，忽略小腿屈曲后的微小的旋转运动。外骨骼踝关节处可设置三个自由度，分别实现脚围绕踝关节的上下转动，外展/内收以及旋转运动。下肢外骨骼每条腿有七个自由度，加之脚上的一个自由度共八个自由度。图3-4 出示了下肢外骨骼理想自由度配置。
图4-2 下肢理想自由度 Fig.4-2 Lower limb ideal freedom
4.2 人类步态及稳定性分析
双足行走具有不稳定性，但是人类却能灵活而稳定地行走，研究人类步行特点从而找出双足步行实现稳定行走的条件，这对研究双足步行机械是必要的一步。前人对此做了大量的研究。
步态是指在运动过程中，步行者肢体的协调关系。我们总能看到，人行走、跑时双腿交替迈步，支撑点在双足间也交替轮换，上身及上肢会左右摇摆以保持平衡。图4-3、图4-4分别为人类行走、跑的步态。从理论上
讲，为了保证双足步行稳定，必须满足南斯拉夫麦沃曼尔.伍科布拉托维奇提出的双足稳定步行理论，他指出：为了保持双足步行的身体平衡,必须保证所承受的所有外力之合力的作用线通过支撑足,并处在支撑足与地面接触的区域内。亦即当ZMP 点落在脚板支撑范围之内时，人运动是稳定的。因此可以利用ZMP点来衡量双足行走的稳定性。公式(1)、(2)描述了ZMP 点计算方法。
图4-3人类行走步态 Fig.4-3 Human walking gait
图4-4 人类跑步态示意图 Fig.4-4 Human run gait schemes
5结构分析、设计（The structure analysis and design）
由前面对人体骨、关节以及运动的分析，由此确定了外骨骼自由度，从而为其结构设计打下了基础。
根据下肢外骨骼适应的条件和对它的要求，设计人体下肢外骨骼。髋关节和膝关节设置驱动以使大腿、小腿抬起实现迈步。为了简化设计与制造，髋部三个自由度分别设置在不同位置，例如外展/内收的关节设在了后背部。膝关节只有一个自由度，在设计时要考虑到外骨骼膝关节转动的角度范围。踝关节处需要有驱动器，完成脚的曲/伸运动。踝关节自由度分别为屈/伸轴通过人的踝关节轴，外展/内收和旋转轴设计在脚底处，虽然设计在不同的位置但能达到相同的目的。由于踝关节的外展/内收运动同髋关节在垂直轴上的旋转需要很小的力，所
以都不施加驱动，在设计时要考虑设置有合适的阻抗。后背架设置有计算机和用于放置计算机等设备的能量装置托架。后背架通过液压驱动装置与髋关节的外展/内收关节相连，驱动髋关节的外展/内收运动。采用线性驱动装置对各关节施加驱动力，不但起到施加动力的作用，还对各关节起到了一定的缓冲作用，避免关节受到强大振动力的冲击。
操作人员穿的马夹穿过外骨骼从而使得二者相连，在人体与外骨骼接触处辅加以弹性塑料，以增加人的舒适度。
根据以上的分析与研究，初步设定下肢外骨骼自由度的实现方法如图5-1所示，总体结构如图5-2所示。各部分结构设计简图如图5-3 所示。
图5-1 下肢外骨骼自由度确定 Fig.5-1 Freedom of lower extremity
exoskeleton
图5-2 下肢外骨骼总体结构 Fig.5-2 General structure of lower extremity exoskeleton
图5-3 下肢外骨骼腰部结构简图 Fig.5-3 Waist structure diagram of lower
extremity exoskeleton
6结论（Conclusion）
人机一体化的人体下肢外骨骼能大大提高人类的承载能力，它不论在军事、民用方面都有广泛的应用范围和前景。本文从分析人类下肢关节的结构特点、人类的步态及下肢自由度入手，结合下肢外骨骼实现的功能、工作原理、结构组成，设计了其结构。欧美国家在该方面的研究已经有了相当的成果，并成功应用在了军事作战、医疗救助、抢险救灾等多行业各领域，而相对于欧美日本等发达国家，我国在人体下肢外骨骼方面
的研究起步较晚，基础较薄弱，技术较弱后，而人体下肢外骨骼机器人在各行各业中的应用将越来越广泛，尤其是应用于军事用途后，将会让整体的军事实力有很大提升。因此展望下未来，我们国家应该多立项，加紧在这方面的投入，争取早日赶超欧美等发达国家，早日研制成功应用在各行各业包括军事用途的人体外骨骼机器人。
参 考 文 献 (References)
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