下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式及發(fā)展前景

宋品清 黃建昌

摘 要：近年來(lái)，下肢外骨骼機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。研究者把下肢外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式分為四類(lèi)，即液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及人工肌肉驅(qū)動(dòng)，并分別介紹了這四種方式的工作原理，闡述其優(yōu)缺點(diǎn)，最后對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：下肢外骨骼機(jī)器人;驅(qū)動(dòng)方式;液壓驅(qū)動(dòng);氣壓驅(qū)動(dòng);電機(jī)驅(qū)動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）07-0006-03

Lower Limb Exoskeleton Robot Driving Mode and Development

Prospect Analysis

SONG Pinqing HUANG Jianchang

（Hebei Agricultural University，Cangzhou Hebei 061000）

Abstract： In recent years， lower limb exoskeleton robots are being used more and more widely. Researchers divided the driving modes of lower limb exoskeleton robot into four categories， namely hydraulic driving， pneumatic driving， motor driving and artificial muscle driving. The working principles of these four modes are introduced respectively， and their advantages and disadvantages were described. Finally， the future development trend was prospected.

Keywords： lower limb exoskeleton robot;driving mode;hydraulic driving;pneumatic driving;motor driving

近年來(lái)，下肢外骨骼機(jī)器人作為一種輔助設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，在軍事、醫(yī)療領(lǐng)域尤為常見(jiàn)。它是一種可穿戴的機(jī)械裝置，靈感來(lái)源于一些動(dòng)物自身的外骨骼，結(jié)合動(dòng)力學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科制造，在輔助運(yùn)動(dòng)及康復(fù)方面有著重要應(yīng)用[1]。按照驅(qū)動(dòng)方式，可將下肢外骨骼分為四類(lèi)，即液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及人工肌肉驅(qū)動(dòng)[2]。本文對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行了闡述。

1 下肢外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式的分類(lèi)

1.1 液壓驅(qū)動(dòng)

在當(dāng)今機(jī)器人和自動(dòng)化應(yīng)用中，非常注重高功率-質(zhì)量比[3]。而液壓驅(qū)動(dòng)存在較大的功率-質(zhì)量比，可以提供良好的運(yùn)動(dòng)速度和堅(jiān)固性，同時(shí)確保了可靠性。液壓驅(qū)動(dòng)通過(guò)流體介質(zhì)傳遞能量，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)方式的工作原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵、液壓缸和電磁換向閥等元件（如圖2所示）。液壓泵是動(dòng)力元件，主要向整個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力;液壓缸是執(zhí)行元件，將系統(tǒng)內(nèi)液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，使外骨骼的兩條下肢繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng);電磁換向閥包括壓力控制閥、流量控制閥和方向控制閥，分別控制著液體的壓力、流量以及方向。

液壓系統(tǒng)控制外骨骼的每個(gè)關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)的數(shù)字液壓缸支持穿戴者實(shí)現(xiàn)蹲下和快速行走。液壓驅(qū)動(dòng)有著較高的精度和靈敏度，優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。BLEEX是加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的液壓驅(qū)動(dòng)下肢外骨骼機(jī)器人[4]，用于行軍負(fù)重。

1.2 氣壓驅(qū)動(dòng)

氣壓驅(qū)動(dòng)使用氣體作為介質(zhì)，原理與液壓驅(qū)動(dòng)類(lèi)似，通過(guò)傳感器采集穿戴者動(dòng)作，控制閥控制氣體，并推動(dòng)氣缸活塞實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)，其行走的性能取決于所使用氣缸的效率。以機(jī)器人Gamma為例[5]，其氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的重要器件是紡織離合器（Textile Based Clutch，TBC），它是一種真空壓力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械式離合器，通過(guò)控制阻塞其機(jī)械元件來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。TBC通過(guò)真空管線(xiàn)與閥門(mén)相連，空氣壓縮機(jī)壓縮空氣使得TBC系統(tǒng)嚙合，在穿戴者運(yùn)動(dòng)時(shí)，松緊帶會(huì)變長(zhǎng)。

使用空氣壓縮來(lái)產(chǎn)生扭矩可實(shí)現(xiàn)外骨骼的輕量化，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快，并且具有較強(qiáng)的抗沖擊性能。由于氣體的可壓縮性，系統(tǒng)的安全性大大提高，同時(shí)降低了設(shè)備成本。但是，氣動(dòng)裝置控制精度低。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

在下肢外骨骼上安裝電機(jī)，對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)起驅(qū)動(dòng)作用，通過(guò)傳感器收集運(yùn)動(dòng)信息，發(fā)送到控制器和驅(qū)動(dòng)器，分析其運(yùn)動(dòng)意圖及穿戴者的姿態(tài)變化，得出關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度，在電機(jī)的作用下對(duì)各關(guān)節(jié)發(fā)出指令，使外骨骼與穿戴者動(dòng)作相一致。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)用范圍廣、控制和維護(hù)方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、安全性較高，能提供較高的扭矩-質(zhì)量比;但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率-質(zhì)量比較低，導(dǎo)致難以承擔(dān)較大負(fù)載。

Berkely Bionics公司推出的第三代BLEEX外骨骼HULC是電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，但它也含有液壓組件。其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各有一個(gè)液壓缸，最大可供負(fù)重91 kg，速度可達(dá)到4.8 km/h。

由美國(guó)范德堡大學(xué)研究人員研制的Vanderbilt外骨骼使用了一個(gè)齒輪比為24∶1的無(wú)刷-直流（BLDC）電機(jī)，提供80 N·m的扭矩。角度測(cè)量傳感器、單軸陀螺儀等器件會(huì)在外骨骼的關(guān)節(jié)處發(fā)揮作用。

1.4 人工肌肉驅(qū)動(dòng)

采用人工肌肉驅(qū)動(dòng)方式是近年來(lái)出現(xiàn)的一種新型驅(qū)動(dòng)方式，它更多地采用了仿生學(xué)設(shè)計(jì)，模擬了人的肌肉，形成了擬人化的外部機(jī)械結(jié)構(gòu)。人工肌肉來(lái)回收縮使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了外骨骼的運(yùn)動(dòng)。目前，國(guó)內(nèi)外主要流行的是氣動(dòng)人工肌肉（PAM），這種驅(qū)動(dòng)方式下的外骨骼機(jī)器人集氣動(dòng)人工肌肉、輕型傳感器和控制軟件于一體，與人類(lèi)肌肉的運(yùn)動(dòng)原理類(lèi)似，是一種柔性執(zhí)行器。每個(gè)氣動(dòng)人工肌肉對(duì)應(yīng)著人類(lèi)腿部的肌肉，人工肌腱從氣動(dòng)人工肌肉的末端延伸到腳部，用于移動(dòng)腳踝。傳感器采集穿戴者的信息，改變金屬的電阻，從而通過(guò)控制軟件確定腳踝的位置以及所承受的壓力。

氣動(dòng)人工肌肉具有較好的柔順性，同時(shí)也降低了設(shè)備重量。這種類(lèi)型的外骨骼機(jī)器人具有優(yōu)良的功率-體積比和功率-質(zhì)量比，并且易于維護(hù)、響應(yīng)快速。其不足之處是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較小，使用范圍有限。

2 對(duì)下肢外骨骼機(jī)器人的展望

2.1 新的驅(qū)動(dòng)方式的研究

四種驅(qū)動(dòng)方式都存在一定的缺點(diǎn)，近年來(lái)，世界各國(guó)的研究者也在致力于解決相關(guān)問(wèn)題。目前，新的驅(qū)動(dòng)方式已經(jīng)出現(xiàn)，如使用柔性驅(qū)動(dòng)器的外骨骼康復(fù)機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入臨床測(cè)試[6]。哈佛大學(xué)的Octobot是柔性機(jī)器人，采用微流控來(lái)驅(qū)動(dòng)[7]。

2.2 改進(jìn)控制策略

對(duì)控制策略的探索與改進(jìn)是研究的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)有的下肢外骨骼機(jī)器人在控制策略上仍有改進(jìn)的空間，如導(dǎo)納控制的不穩(wěn)定性，這需要對(duì)阻抗模型進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)

外骨骼機(jī)器人往往尺寸較大，優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)能讓其在輕量化上邁進(jìn)一大步，從而獲得更好的性能。具體而言，優(yōu)化傳動(dòng)方式、改進(jìn)電池與蓄電設(shè)備、嘗試新型材料都可以作為優(yōu)化的角度。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了下肢外骨骼機(jī)器人的四種驅(qū)動(dòng)方式，概述了其優(yōu)缺點(diǎn)，并探討了未來(lái)下肢外骨骼機(jī)器人的發(fā)展前景與發(fā)展方向。未來(lái)的下肢外骨骼機(jī)器人將會(huì)更加輕便和可靠，控制策略將更加完備，能用于更廣泛的領(lǐng)域。

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