康復(fù)機(jī)器人柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)研究進(jìn)展

陸盛，胡冰山，程科，喻洪流，倪偉

1.上海理工大學(xué)康復(fù)工程與技術(shù)研究所，上海市 200093；2.上?？祻?fù)器械工程技術(shù)研究中心，上海市200093

康復(fù)機(jī)器人既要求具備合適的剛度，保證閉環(huán)控制的穩(wěn)定性和良好的控制帶寬，以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)帶動(dòng)患者肢體到達(dá)指定位置實(shí)現(xiàn)被動(dòng)訓(xùn)練[1]；還必須具備良好的柔順性，在主動(dòng)訓(xùn)練和抗阻訓(xùn)練階段跟隨患者肢體，并分別給患者肢體施加不同的作用力，以保證康復(fù)過程的安全性和舒適性，增強(qiáng)康復(fù)訓(xùn)練的效果[2]。傳統(tǒng)康復(fù)機(jī)器人通常在剛性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加傳感器種類和數(shù)量，通過采集足夠多的位置、力矩、速度等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)能夠高效處理這些數(shù)據(jù)的控制器控制康復(fù)機(jī)器人的阻抗[3]。這就使得此類驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)要求傳感器、驅(qū)動(dòng)及控制電路運(yùn)行速度足夠快，并且控制器復(fù)雜，要求建立精確的動(dòng)力學(xué)模型[4]。而且傳統(tǒng)剛性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不是本質(zhì)柔順，不能儲(chǔ)存能量，也不能吸收碰撞瞬時(shí)的能量。

與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，以肌肉骨骼系統(tǒng)作為驅(qū)動(dòng)的人類，能夠調(diào)節(jié)肢體關(guān)節(jié)剛度以適應(yīng)環(huán)境的變化，在控制位置的同時(shí)，具有良好的柔順變剛度特性。例如當(dāng)肘關(guān)節(jié)作屈肘運(yùn)動(dòng)時(shí)，肱二頭肌收縮，肱三頭肌放松；當(dāng)關(guān)節(jié)位置不變時(shí)，肌肉張力增加，即關(guān)節(jié)的剛度增加[5-6]。若能使康復(fù)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)也具有良好的變剛度特性，同時(shí)具備本質(zhì)柔順屬性，無疑將使康復(fù)機(jī)器人更能適應(yīng)被動(dòng)、主動(dòng)及抗阻訓(xùn)練時(shí)剛度的變化，并提高人機(jī)交互的安全性和環(huán)境適應(yīng)性[7-8]。

本文在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析目前的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理并進(jìn)行分類，對(duì)變剛度機(jī)構(gòu)在康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)行綜述，總結(jié)目前變剛度機(jī)構(gòu)在康復(fù)機(jī)器人應(yīng)用中存在的問題及發(fā)展趨勢(shì)。

1 變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是指驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)輸出端與環(huán)境之間的剛度可以調(diào)節(jié)的一類驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有多種分類方式，如按照電機(jī)布局可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。本文按照驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中變剛度部件的機(jī)械原理分為四大類：彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)主動(dòng)柔順變剛度機(jī)構(gòu)、電-磁柔順變剛度機(jī)構(gòu)和智能材料柔順變剛度機(jī)構(gòu)。

1.1 彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)

彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)按照結(jié)構(gòu)形式可分為三角形結(jié)構(gòu)、四桿結(jié)構(gòu)、杠桿結(jié)構(gòu)和特殊曲面結(jié)構(gòu)4類[9]。

1.1.1三角形結(jié)構(gòu)

三角形結(jié)構(gòu)彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)工作原理見圖1。它多運(yùn)用在繩驅(qū)機(jī)構(gòu)上，由動(dòng)滑輪、定滑輪組成的滑輪組和定剛度彈簧構(gòu)成。當(dāng)繩子兩端受力時(shí)，動(dòng)滑輪上抬，彈簧壓縮量發(fā)生改變，改變繩子上的張緊力，最終調(diào)整繩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)末端的剛度。剛度(K)表達(dá)式如下：

圖1 三角形結(jié)構(gòu)彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)原理

式(1)、(2)中，a為動(dòng)滑輪到定滑輪組之間的橫向距離，b為動(dòng)滑輪到繩末端的縱向距離，b-λ為彈簧的形變量，θ為繩與繩之間的夾角，L為斜邊的繩長，F(xiàn)為繩末端的拉力。

Ogane 等[10-11]為仿生肌骨機(jī)器人設(shè)計(jì)的繩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖2)和德國宇航中心研制的DAVID 機(jī)器人系統(tǒng)中的變剛度五指手(圖3)就采用這種三角形結(jié)構(gòu)的變剛度機(jī)構(gòu)，當(dāng)繩子兩端拉伸時(shí)，彈簧壓縮量發(fā)生變化，變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度特性也隨之發(fā)生改變。該類變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度特性與機(jī)構(gòu)中的彈簧剛度，以及定滑輪、動(dòng)滑輪之間的幾何位置有關(guān)，一旦選定就無法改變固有機(jī)械剛度，沒有設(shè)置專門的剛度調(diào)節(jié)電機(jī)。

圖2 仿生肌骨機(jī)器人繩驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[10]

圖3 德宇航DAVID手臂[11]

1.1.2四桿結(jié)構(gòu)

四桿結(jié)構(gòu)彈性元件柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作原理見圖4。它運(yùn)用在轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)上，由剛度調(diào)節(jié)電機(jī)、滑塊、四桿和彈簧組成。剛度調(diào)節(jié)電機(jī)推動(dòng)滑塊相向移動(dòng)，拉伸彈簧，剛度發(fā)生變化。

圖4 四桿結(jié)構(gòu)變剛度彈性元件變剛度原理

Huang等[12]設(shè)計(jì)的連續(xù)狀態(tài)耦合彈性驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖5)就采用四桿結(jié)構(gòu)變剛度原理。其中的剛度調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)雙端螺紋絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，剛度調(diào)整螺母滑塊向兩側(cè)移動(dòng)調(diào)節(jié)彈簧預(yù)壓縮量調(diào)節(jié)剛度。當(dāng)輸出軸上受到環(huán)境負(fù)載時(shí)，扭矩使得蝸桿移動(dòng)，壓縮一側(cè)彈簧，另一側(cè)彈簧延長。

圖5 連續(xù)狀態(tài)耦合彈性驅(qū)動(dòng)變剛度機(jī)構(gòu)[12]

Li等[13]研制一種特殊的四桿結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖6)。四桿結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由彈簧、鋼纜、若干滑輪、輸入法蘭、輸出法蘭和蝸輪、蝸桿組成。蝸輪、蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，繃緊或放松鋼絲繩，調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮量。輸出法蘭相對(duì)于輸入法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)鋼絲繩被拉緊時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)高剛度；當(dāng)鋼絲繩處于放松時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于柔順狀態(tài)。

圖6 四桿結(jié)構(gòu)變剛度機(jī)構(gòu)模型[13]

1.1.3杠桿結(jié)構(gòu)

杠桿結(jié)構(gòu)彈性元件變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)作原理有3 種，通過移動(dòng)彈簧位置、負(fù)載點(diǎn)、杠桿支點(diǎn)位置來調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的剛度特性(圖7)。

當(dāng)杠桿支點(diǎn)和負(fù)載點(diǎn)位置恒定時(shí)，通過調(diào)節(jié)彈簧的位置，改變杠桿臂的長度來調(diào)整機(jī)構(gòu)的剛度，如圖7(a)所示，彈簧位置離杠桿支點(diǎn)越遠(yuǎn)，剛度越大，反之亦然。剛度表達(dá)式如下：

式(4)中：τ表示外力F的等效外力矩，θ表示杠桿受外力產(chǎn)生的偏角，R表示有效杠桿臂(彈簧與支點(diǎn)間的距離)，k表示彈簧的彈性系數(shù)。

當(dāng)杠桿支點(diǎn)和彈簧位置恒定時(shí)，通過調(diào)節(jié)負(fù)載點(diǎn)在杠桿上的位置，改變有效杠桿臂的長度來調(diào)整機(jī)構(gòu)的剛度，如圖7(b)所示，負(fù)載點(diǎn)離杠桿支點(diǎn)越遠(yuǎn)剛度越小，反之亦然。剛度表達(dá)式如下：

當(dāng)負(fù)載點(diǎn)和彈簧位置恒定時(shí)，調(diào)節(jié)杠桿支點(diǎn)的位置，從而調(diào)整機(jī)構(gòu)的剛度，如圖7(c)所示。變剛度表達(dá)式如下：

圖7 杠桿結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理

式(6)中：R1表示支點(diǎn)到彈簧間的距離，R2表示支點(diǎn)到外力作用點(diǎn)的距離，α為杠桿力臂的比值，即α=R1/R2。當(dāng)α變小時(shí)，剛度越大，反之亦然[14]。

Okubo 等[15]基于杠桿結(jié)構(gòu)變彈簧位置剛度調(diào)節(jié)原理(圖8)，研制一種可以用于外骨骼的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其設(shè)計(jì)的新穎之處在于，彈簧力垂直于改變剛度所需的位移，調(diào)整剛度時(shí)所需的能量小。

圖8 變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[15]

基于杠桿結(jié)構(gòu)變負(fù)載點(diǎn)剛度調(diào)節(jié)原理，Visser 等[16]設(shè)計(jì)一種變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖9)，包含杠桿機(jī)構(gòu)、彈簧、電機(jī)，該機(jī)構(gòu)能夠提高能源效率，達(dá)到節(jié)能效果。

圖9 變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[16]

基于杠桿結(jié)構(gòu)變杠桿支點(diǎn)剛度調(diào)節(jié)原理，Sun 等[17]設(shè)計(jì)一種串聯(lián)變剛度機(jī)構(gòu)(圖10)。其位置控制電機(jī)安裝于主軸上，變剛度驅(qū)動(dòng)電機(jī)偏置于位置控制電機(jī)側(cè)面，調(diào)控阿基米德螺旋凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)。該剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括杠桿結(jié)構(gòu)、對(duì)置彈簧、阿基米德螺旋凸輪盤，通過阿基米德螺旋凸輪盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)杠桿支點(diǎn)沿杠桿平移，杠桿支點(diǎn)位置發(fā)生變化，整個(gè)機(jī)構(gòu)的剛度也隨之改變。該機(jī)構(gòu)具有彈簧保持沿彈簧軸壓縮，彈簧力垂直于輸出桿傳遞力并能夠提供較大的偏轉(zhuǎn)角的優(yōu)點(diǎn)。

圖10 旋轉(zhuǎn)串聯(lián)變剛度機(jī)構(gòu)[17]

1.1.4特殊曲面結(jié)構(gòu)

特殊曲面柔順變剛度機(jī)構(gòu)工作原理見圖11。利用凸輪或特殊曲面的非線性弧度對(duì)彈簧進(jìn)行壓縮，受非線性弧度的影響，彈簧壓縮量呈現(xiàn)非線性趨勢(shì)，使機(jī)構(gòu)具有非線性剛度調(diào)節(jié)特點(diǎn)。其剛度表達(dá)式如下：

圖11 特殊曲面結(jié)構(gòu)原理

式(7)(8)中μ為凸輪與凸輪盤間的摩擦力，fl(φ)為凸輪盤輪廓線，R為凸輪盤半徑，r為凸輪半徑，k為彈簧剛度，l為彈簧預(yù)壓縮量，φ為關(guān)節(jié)形變角，θ為位置電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角。

Wolf 等[18]研制變剛度關(guān)節(jié)浮動(dòng)彈簧關(guān)節(jié)(floating spring joint,FSJ) (圖12)，其位置控制電機(jī)安裝在諧波減速器波發(fā)生器與殼體之間，變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)串聯(lián)在柔輪與關(guān)節(jié)輸出軸之間，變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括剛度調(diào)整電機(jī)、減速器、凸輪盤、凸輪和彈簧，通過剛度控制電機(jī)改變凸輪盤的相對(duì)位置，控制彈簧的預(yù)載荷，調(diào)整關(guān)節(jié)的剛度；當(dāng)關(guān)節(jié)受到被動(dòng)力矩載荷時(shí)，凸輪盤發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生彈性恢復(fù)力矩。Zhu 等[18-19]結(jié)合凸輪變剛度原理和杠桿結(jié)構(gòu)變杠桿支點(diǎn)剛度調(diào)節(jié)原理研制一種新型變剛度機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)由輸出軸、杠桿、直線螺桿單元、凸輪盤、兩個(gè)帶滾子的滑塊組成。凸輪盤轉(zhuǎn)動(dòng)壓縮彈簧，產(chǎn)生彈力，彈力傳遞到杠桿上，再由剛度調(diào)整電機(jī)控制樞軸的位置實(shí)現(xiàn)剛度的變化。

圖12 變剛度關(guān)節(jié)FSJ示意圖[18]

1.2 氣動(dòng)元件柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

氣動(dòng)元件本身具有阻抗，同時(shí)又由柔順韌性材料制成，因此運(yùn)用氣動(dòng)元件作為變剛度部件是近幾年熱門的研究方向。氣動(dòng)主動(dòng)柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為三大類[20]，包含耦合結(jié)構(gòu)變剛度機(jī)構(gòu)、阻塞原理變剛度機(jī)構(gòu)和層干擾變剛度機(jī)構(gòu)。

1.2.1耦合結(jié)構(gòu)變剛度機(jī)構(gòu)

耦合結(jié)構(gòu)的原理是利用冗余驅(qū)動(dòng)形成結(jié)構(gòu)間的拮抗作用，使其處于一種受力平衡、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的狀態(tài)來調(diào)整其剛度。

Giannaccini等[21]設(shè)計(jì)一種變剛度氣動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂(圖13)。該機(jī)械臂由6 塊收縮氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器和1 塊伸展氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器平行布置而成，通過控制組合式氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的壓力可以得到一系列不同的剛度。例如，通過同時(shí)增加伸展和收縮氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)壓，可讓機(jī)械臂呈現(xiàn)高剛度狀態(tài)；對(duì)伸展氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器充氣，并對(duì)6 塊收縮氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器放氣，可讓機(jī)械臂呈現(xiàn)柔順狀態(tài)。

圖13 氣動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂[21]

1.2.2阻塞原理變剛度機(jī)構(gòu)

阻塞原理變剛度是利用固體顆粒物質(zhì)在受限的環(huán)境中失去流動(dòng)性，改變驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度特性(圖14)。在氣動(dòng)元件中利用顆粒阻塞來實(shí)現(xiàn)剛度的調(diào)節(jié)是最常見的方式。

圖14 阻塞原理

Li 等[22]提出一種變剛度柔性末端效應(yīng)器(圖15)。該夾持器由柔性硅膠驅(qū)動(dòng)器、顆粒組件和外殼組合而成。對(duì)驅(qū)動(dòng)器充氣，顆粒組件受到壓力的擠壓喪失流動(dòng)性，產(chǎn)生阻塞現(xiàn)象，使末端效應(yīng)器手爪呈現(xiàn)高剛度狀態(tài)。

圖15 無源粒子阻塞末端效應(yīng)器[22]

1.2.3層干擾變剛度機(jī)構(gòu)

層干擾變剛度(圖16)是通過外力、負(fù)壓等方式增大層與層之間的摩擦力和拮抗作用，使得機(jī)構(gòu)呈現(xiàn)剛度特性的變化，其變剛度計(jì)算公式如下：

圖16 層干擾原理

式(9)(10)中，p為機(jī)構(gòu)表面承受的外界壓力，ω為機(jī)構(gòu)表面的寬度，L為機(jī)構(gòu)表面的長度，F(xiàn)為機(jī)構(gòu)承受的拉力。將面與面之間的接觸數(shù)量定義為n，面與面間的摩擦系數(shù)為μ，可增加p的值來改變F的大小，當(dāng)S長度不變時(shí)，剛度隨F的增大而增大[23]。

Choi等[24]基于層干擾變剛度原理設(shè)計(jì)滑動(dòng)連桿層干擾機(jī)構(gòu)(圖17)。整個(gè)機(jī)構(gòu)由線性剛度可變的柔性外殼、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、柔性鉸鏈、層干擾機(jī)構(gòu)組成。氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將柔性外殼內(nèi)部抽成真空狀態(tài)，受真空狀態(tài)影響，層與層之間的屈服應(yīng)力增大，剛度增大，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖17 滑動(dòng)連桿層干擾機(jī)構(gòu)層間干擾機(jī)構(gòu)[24]

1.3 電-磁元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)

電-磁元件柔順變剛度是最近幾年開發(fā)的一種新型變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，它利用電磁場改變機(jī)構(gòu)剛度特性，目前主要分為靜電層干擾變剛度機(jī)構(gòu)和電流磁效應(yīng)變剛度機(jī)構(gòu)。

1.3.1靜電層干擾變剛度機(jī)構(gòu)

基于靜電吸附原理，Wang 等[25]提出的一種靜電層干擾變剛度(圖18)軟體機(jī)器人。靜電層干擾變剛度和氣動(dòng)層干擾原理相同，不同的是前者通過靜電吸引來擠壓材料層，使得層與層間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力限制層與層之間的相對(duì)滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)剛度的調(diào)整。靜電層干擾變剛度與氣動(dòng)層干擾相比具有更大的剛度變化能力，且更節(jié)省空間。

圖18 靜電層干擾[25]

1.3.2電流磁效應(yīng)變剛度機(jī)構(gòu)

Heya 等[26]提出一種磁絲杠變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖19)，它利用兩個(gè)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生磁相位差，調(diào)整機(jī)構(gòu)剛度特性。位置控制電機(jī)帶動(dòng)絲杠正轉(zhuǎn)，剛度調(diào)節(jié)電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸3 反轉(zhuǎn)，磁性螺母轉(zhuǎn)軸2由轉(zhuǎn)軸3 帶動(dòng)，磁絲杠轉(zhuǎn)軸1 與磁性螺母轉(zhuǎn)軸2 反向轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生相位差，推動(dòng)轉(zhuǎn)軸3 向右移動(dòng)。該機(jī)構(gòu)由于無摩擦接觸，驅(qū)動(dòng)效率高，它可以在沒有機(jī)械彈簧的情況下靈活地響應(yīng)外力；同時(shí)有效解決了變剛度機(jī)構(gòu)變剛度傳遞過程中產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲，以及由摩擦導(dǎo)致傳動(dòng)效率低下等問題。

圖19 磁絲杠變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[26]

1.4 智能材料變剛度柔順機(jī)構(gòu)

智能材料變剛度柔順機(jī)構(gòu)指的是在材料或者結(jié)構(gòu)方面具有可控的變剛度能力。利用形狀記憶合金的應(yīng)力應(yīng)變隨溫度變化的特點(diǎn)，Liao 等[27]提出一種形狀記憶合金變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(圖20)，通過電流調(diào)節(jié)形狀記憶合金的溫度，進(jìn)而控制嵌入形狀記憶合金絲的聚已酸內(nèi)酯管道的剛度。該機(jī)構(gòu)在斷電時(shí)，管道的溫度等于室溫，此時(shí)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度最小。通電后，管道溫度逐漸升高，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度逐漸增大。

圖20 記憶合金變剛度機(jī)構(gòu)[27]

2 變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在康復(fù)機(jī)器人中的應(yīng)用

變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于其本質(zhì)柔順特性及機(jī)械剛度的可調(diào)整性，目前正逐步應(yīng)用到上下肢康復(fù)機(jī)器人、被動(dòng)助力下肢外骨骼和智能仿生假肢中。

2.1 上下肢康復(fù)機(jī)器人中的變剛度機(jī)構(gòu)

腦卒中、截癱患者肢體的剛度隨著康復(fù)階段而發(fā)生變換，柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)剛度調(diào)節(jié)范圍較寬，能夠更好適應(yīng)患者肢體剛度的變化，被動(dòng)柔順特性的引入則提高了人機(jī)交互的安全性，可適應(yīng)痙攣、碰撞等情況的發(fā)生。

Liu 等[28]設(shè)計(jì)一種變剛度肘關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)機(jī)器人(圖21)。在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練和被動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練模式中，可為那些上肢特定損傷患者提供最佳的肘關(guān)節(jié)剛度。對(duì)于上肢嚴(yán)重受損的患者，外骨骼可以在柔順模式下帶動(dòng)患者的手臂完成康復(fù)訓(xùn)練；當(dāng)患者恢復(fù)了上肢部分能力時(shí)，患者可以在高剛度模式下進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練。Song等[29]基于特殊曲面變剛度原理設(shè)計(jì)的膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人(圖22)，實(shí)現(xiàn)了“低負(fù)荷、低剛度與高負(fù)荷、高剛度”的人機(jī)交互特性，因其具有非線性剛度調(diào)節(jié)，康復(fù)過程中可以更好模擬人體與外界環(huán)境的相互作用，從而達(dá)到更好的康復(fù)訓(xùn)練效果。

圖21 肘關(guān)節(jié)外骨骼康復(fù)機(jī)器人[28]

圖22 膝關(guān)節(jié)康復(fù)機(jī)器人[29]

2.2 被動(dòng)助力外骨骼中的變剛度機(jī)構(gòu)

不同身高、體質(zhì)量的人在不同速度下、不同步態(tài)階段時(shí)，下肢主要關(guān)節(jié)剛度存在差異[13]，被動(dòng)變剛度外骨骼能更好適應(yīng)關(guān)節(jié)的剛度變化，提供良好的人機(jī)交互，起到助力效果，減少人體能耗。

基于特殊曲面柔順變剛度原理，Yu等[30]設(shè)計(jì)一種無動(dòng)力變剛度儲(chǔ)能外骨骼(圖23)，該外骨骼通過髖關(guān)節(jié)處的儲(chǔ)能彈簧儲(chǔ)存行走過程中髖關(guān)節(jié)所做的負(fù)功，在髖關(guān)節(jié)做正功的階段時(shí)將能量釋放，以輔助穿戴者行走，減少行走過程中的能量消耗。該外骨骼髖關(guān)節(jié)剛度可手動(dòng)調(diào)節(jié)，以適應(yīng)穿戴者步速和體質(zhì)量的變化，更好達(dá)到助行效果。

圖23 無外動(dòng)力變剛度儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)[30]

2.3 假肢變剛度康復(fù)機(jī)構(gòu)

人類肢體關(guān)節(jié)呈現(xiàn)變剛度特性，在下一代假肢中引入變剛度功能，可提高人機(jī)交互安全性和魯棒性，并使其更加貼合真實(shí)的肢體。

Lemerle 等[31]設(shè)計(jì)一款變剛度肘關(guān)節(jié)假肢(圖24)，在形態(tài)、質(zhì)量和輸出性能方面都接近于人體生物力學(xué)性能，系統(tǒng)輸出函數(shù)與人體肌骨模型相似，表明該款假肢關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)顯得十分自然。Glanzer等[32]提出一個(gè)準(zhǔn)被動(dòng)踝足假肢(圖25)。準(zhǔn)被動(dòng)踝足假肢有助于適應(yīng)不平坦的地面，并改善坡道上的生物力學(xué)性能。這款準(zhǔn)被動(dòng)踝足假肢具有非線性、自定義的扭矩角曲線，在線調(diào)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)任務(wù)的整體剛度。

圖24 變剛度肘關(guān)節(jié)假肢[31]

圖25 準(zhǔn)被動(dòng)踝足假肢[32]

3 存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由于其本質(zhì)柔順特性及機(jī)械剛度的可調(diào)整性，目前已經(jīng)逐步應(yīng)用到各類康復(fù)機(jī)器人中。對(duì)目前已有的各類康復(fù)機(jī)器人變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的總結(jié)如下。

在結(jié)構(gòu)和加工方面，串聯(lián)變剛度機(jī)構(gòu)通過調(diào)節(jié)杠桿支點(diǎn)來改變剛度，剛度變化范圍較大，但相應(yīng)帶來機(jī)構(gòu)尺寸大的弊端[33-35]；凸輪變剛度機(jī)構(gòu)利用曲線輪廓產(chǎn)生非線性剛度，因此在加工時(shí)對(duì)輪廓的加工精度要求較高。

在能耗方面，形狀記憶合金的復(fù)合材料變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在通斷電時(shí)剛度會(huì)發(fā)生變化。但此類驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度特性受到尺寸(如復(fù)合材料管的直徑、長度)、溫度等多個(gè)參數(shù)的影響，并且由于其靠加熱形狀記憶合金實(shí)現(xiàn)剛度改變，功耗大，響應(yīng)慢[27]。

在剛度取值范圍方面，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)變剛度機(jī)構(gòu)可以提供很高的功率重量比，但它們的剛度太小，不能獨(dú)立作用于末端執(zhí)行器，且剛度變化范圍有限?；诟軛U原理串聯(lián)變剛度機(jī)構(gòu)，在理論上可以達(dá)到從0～∞的剛度特性[21]。

在剛度響應(yīng)方面，靜電層干擾柔順變剛度機(jī)構(gòu)由于不需要電機(jī)來改變剛度特性，結(jié)構(gòu)小而緊湊，但它需要高達(dá)2000 V的電壓調(diào)整剛度，且剛度變化有滯后現(xiàn)象。

在剛度輸出扭矩曲線方面，大多數(shù)基于杠桿的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，扭矩曲線依賴于杠桿的長度，很難達(dá)到理想的漸進(jìn)式扭矩曲線。而凸輪機(jī)構(gòu)的剛度依賴于彈簧的預(yù)壓縮量，即使在空載的情況下，用于調(diào)整剛度的電機(jī)也必須連續(xù)輸出扭矩，不節(jié)能。

新一代的康復(fù)機(jī)器人對(duì)柔順變剛度關(guān)節(jié)提出迫切的需求，綜合上述變剛度機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，康復(fù)機(jī)器人柔順變剛度機(jī)構(gòu)在機(jī)械上應(yīng)具備緊湊的結(jié)構(gòu)，良好的剛度特性(輸出關(guān)節(jié)具備較大的轉(zhuǎn)動(dòng)角和剛度)，受到外界環(huán)境沖擊載荷時(shí)能有效緩解瞬間的載荷力，可達(dá)到理想的剛度輸出扭矩曲線(輸出關(guān)節(jié)可隨著轉(zhuǎn)動(dòng)角的改變實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)剛度)；在控制上應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性、快速的響應(yīng)性和較高的精確性，不能產(chǎn)生往復(fù)震顫現(xiàn)象，提供更安全、舒適、高效的變剛度康復(fù)訓(xùn)練。

4 小結(jié)

本文按照驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中變剛度部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，分為彈性元件柔順變剛度機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)主動(dòng)柔順變剛度機(jī)構(gòu)、電-磁柔順變剛度機(jī)構(gòu)和智能材料柔順變剛度機(jī)構(gòu)四大類，并分別陳述各類機(jī)構(gòu)變剛度原理，分析了各類變剛度機(jī)構(gòu)特點(diǎn)；隨后介紹了變剛度機(jī)構(gòu)在上下肢康復(fù)機(jī)器人、被動(dòng)助力下肢外骨骼及智能仿生假肢中運(yùn)用及重要性；最后對(duì)本文中所提到的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)劣分析。

康復(fù)機(jī)器人柔順變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)在與環(huán)境互動(dòng)中能體現(xiàn)固有順應(yīng)性，在自然行為方面適應(yīng)人體關(guān)節(jié)的機(jī)械能力，在康復(fù)時(shí)能適應(yīng)患者肢體剛度變化以達(dá)到最佳的康復(fù)訓(xùn)練效果，因此需要設(shè)計(jì)具備較大的可調(diào)剛度范圍、結(jié)構(gòu)緊湊、低能耗、高響應(yīng)的變剛度驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。