外骨骼助行機器人變剛度驅動的研究進展

陳勇， 吳維， 朱希偉， 康乾， 李榮華， 張連東

（大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028）

0 引 言

外骨骼助行機器人穿戴在老年人的腿上，充當人體的外骨骼，幫助老年人重新站立和行走，促進血液循環，防止肌肉萎縮，減少并發癥的發生，恢復運動能力和生活能力，重新回歸社會，滿足老年人的迫切需求。

目前，外骨骼助行機器人的驅動方式主要包括電機驅動[1-3]、液壓驅動[4-6]、氣壓驅動[7-9]。電機驅動比較笨重，體積較大，影響了外骨骼助行機器人的輕便性和靈活性。液壓驅動的響應速度較慢，精度較低，結構復雜，制造和維護的成本較高，而且密封性不好，容易導致油液泄漏，能量利用率較低，容易造成能量浪費。氣壓驅動的信號傳遞速度較慢，運動穩定性較差。當穿戴者行走在復雜路面需要改變運動狀態時，穿戴者肌肉的收縮和伸展會引起穿戴部位的變形，傳統的剛性驅動不能使外骨骼助行機器人跟隨穿戴者改變運動狀態，限制了穿戴者的柔性運動[10]。外骨骼助行機器人的運動與穿戴者下肢的動作差別很大，導致步態僵硬，難以協調穿戴者與外骨骼助行機器人在復雜地形的動作靈活性、運動穩定性和環境適應性，容易引起位姿誤差，不僅不能達到助行的效果，而且很有可能會使外骨骼助行機器人成為穿戴者的一種負擔。

外骨骼助行機器人的變剛度驅動，可以根據外部環境的變化來調節剛度，使得外骨骼助行機器人能夠實時進行姿態調整，保證外骨骼助行機器人跟隨穿戴者一起改變運動狀態，從而使人機的耦合運動更加協調[11-12]。1 彈性元件的變剛度驅動

1.1 平衡位置的變剛度驅動

劉偉穎等[13]在下肢外骨骼機器人的設計中，采用了串聯彈性驅動，參考體、杠桿臂和旋轉體繞軸旋轉，參考體固定不動，如圖1所示，杠桿臂的末端與旋轉體的固定點用繩的一端連接彈簧，繩的另一端連接電機，通過電機實時調整杠桿臂來改變旋轉體的平衡位置，控制下肢外骨骼機器人的剛度變化，獲得較好的力學性能，提高耐沖擊性，降低阻抗，減少彈簧系統的共振。

何福本等[14]基于串聯彈性驅動，根據人體肌肉-肌腱的特性，設計了一種下肢外骨骼機器人的彈性驅動，模仿肌肉的收縮功能，利用牽引力對下肢外骨骼機器人的關節進行彈性驅動，如圖2所示。拉伸彈簧Sa和Sb產生拉力Fa和Fb，Fa和Fb可以模仿人體肌肉-關節的伸肌和屈肌作用，在編碼器1和編碼器2的共同作用下，利用串聯彈性驅動模仿人體肌肉-肌腱的收縮功能，使下肢外骨骼機器人的關節運動符合人體關節的運動特點，產生柔順化的運動效果。

圖1 串聯彈性驅動的結構示意圖

圖2 仿肌彈性驅動的結構示意圖

1.2 結構可控的變剛度驅動

馬挺等[15]設計了一種結構可控的柔性變剛度驅動，通過改變彈簧的轉動慣量和有效桿長，控制外骨骼機器人的剛度變化，如圖3所示。相對于傳統的剛性驅動，這種結構可控的柔性變剛度驅動讓驅動功率降低了31%，能耗減少了21%，解決了剛性驅動的主要缺點。

2 杠桿結構的變剛度驅動

現有的杠桿結構變剛度驅動有4種，如圖4所示[16]。

在圖4（a）中，有效力臂為L，通過改變L來控制剛度變化，L增大則剛度增大，L減小則剛度減小。在圖4（b）中，支點與彈簧的距離為L1,支點與外力F的距離為L2，通過改變L1/L2來控制剛度變化：L1減小，L2增大，則L1/L2減小，剛度減小；L1增大，L2減小，則L1/L2增大，剛度增大。在圖4（c）中，有效力臂為L，通過改變L來控制剛度變化，L增大則剛度減小，L減小則剛度增大。在圖4（d）中，采用齒輪齒條機構改變有效力臂，從而控制剛度變化，當齒圈轉動的同時，行星架自轉，帶動齒條移動，齒條移動帶動彈簧滑塊移動，有效力臂改變，剛度改變。

圖3 結構可控柔性驅動的結構示意圖

圖4 杠桿結構變剛度驅動的原理圖

B.S.Kim等[17]設計了板簧結構的變剛度驅動，如圖5所示，板簧連接在中心軸上，電機1和電機2通過曲柄滑塊機構共同控制力臂長度，曲柄正向旋轉時，剛度不變，曲柄反向旋轉時，移動支點在板簧上移動，剛度改變。

郭龍等[18]利用杠桿結構，設計了一種旋轉型變剛度驅動，如圖6所示，底座為輸入端，轉動體為輸出端，在底座輸入旋轉運動，通過彈簧片到達輸出端，使輸入端和輸出端發生相對轉動，滾輪縱向移動，使支撐點的位置發生改變。在輸入端和輸出端相對轉角一致的情況下，系統所需轉矩不同，扭轉剛度也不同，通過改變滾輪的位置，改變輸入端和輸出端的扭轉剛度。

圖5 板簧結構變剛度驅動的結構示意圖

圖6 旋轉型變剛度驅動的結構示意圖

王偉等[19]設計了一種柔性齒條變剛度驅動，如圖7所示，電機帶動齒輪在柔性齒條上滾動，改變齒輪施加給柔性齒條的作用力，使柔性齒條發生不同程度的變形來改變剛度，扭轉剛度范圍為196.55～574.22 N·m/rad，響應時間為2 s。

3 撓性結構的變剛度驅動

王俊等[20]采用繩索驅動方式，設計了一種撓性結構的變剛度驅動，如圖8所示。根據人體下肢的結構型式和運動特點，設計了下肢外骨骼機器人的繩索驅動，由于不需要將驅動裝置安裝在關節處，從而使結構更加緊湊。通過纏繞在髖關節、大腿綁定轉動副、膝關節、小腿綁定轉動副上的繩索，對下肢外骨骼機器人進行變剛度驅動，使大腿連桿和小腿連桿擺動協調，產生柔順化的運動效果。

圖7 柔性齒條變剛度驅動的結構示意圖

圖8 撓性結構變剛度驅動的結構示意圖

4 變剛度驅動的發展趨勢與展望

在國內外學者的以往研究中，外骨骼助行機器人的變剛度驅動各有特色，但是許多關鍵科學問題仍未解決，需要進一步深入研究。

1）目前的外骨骼助行機器人變剛度驅動雖然多種多樣，但是同質化現象嚴重，模仿性的跟蹤研究較多，缺乏獨特的自主創新。

2）外骨骼助行機器人關節之間沒有良好的變剛度驅動，在抬腿和落地的瞬間，腿部受到較大的沖擊，影響外骨骼助行機器人的正常運動，很可能對穿戴者肢體造成二次傷害。

3）目前的外骨骼助行機器人變剛度驅動，沒有涉及人體-機械-環境的改變，只能在實驗條件下適合特定的個體，穿戴者與外骨骼助行機器人的運動協同性較差，引起嚴重的位姿誤差，增加穿戴者的行走疲勞，不能適應外部環境的變化，沒有很好的助行，有可能成為一種負擔，制約了外骨骼助行機器人的應用。

這些關鍵科學問題如果不解決，就會制約外骨骼助行機器人的發展。

5 結語

外骨骼助行機器人的變剛度驅動是在仿生學、人體運動學、機構學、機器人學、人機工程學、信息科學和實驗科學等多學科背景下進行的創新性設計，充分利用各學科交叉和融合產生的協同效應。近年來，雖然在外骨骼助行機器人的變剛度驅動方面取得了一些成果，但是大部分處于理論研究和試驗測試階段。隨著科學技術的不斷發展，融入一些新穎的仿生理念、設計準則、工作原理和系統構成，設計外骨骼助行機器人的變剛度驅動，提升外骨骼助行機器人的創新設計水平和實踐應用能力，具有重要的科學意義和社會價值。

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