陳勇， 吳維， 朱希偉， 康乾， 李榮華， 張連東

（大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116028）

0 引 言

外骨骼助行機(jī)器人穿戴在老年人的腿上，充當(dāng)人體的外骨骼，幫助老年人重新站立和行走，促進(jìn)血液循環(huán)，防止肌肉萎縮，減少并發(fā)癥的發(fā)生，恢復(fù)運(yùn)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(jī)器人的驅(qū)動方式主要包括電機(jī)驅(qū)動[1-3]、液壓驅(qū)動[4-6]、氣壓驅(qū)動[7-9]。電機(jī)驅(qū)動比較笨重，體積較大，影響了外骨骼助行機(jī)器人的輕便性和靈活性。液壓驅(qū)動的響應(yīng)速度較慢，精度較低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造和維護(hù)的成本較高，而且密封性不好，容易導(dǎo)致油液泄漏，能量利用率較低，容易造成能量浪費(fèi)。氣壓驅(qū)動的信號傳遞速度較慢，運(yùn)動穩(wěn)定性較差。當(dāng)穿戴者行走在復(fù)雜路面需要改變運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，穿戴者肌肉的收縮和伸展會引起穿戴部位的變形，傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動不能使外骨骼助行機(jī)器人跟隨穿戴者改變運(yùn)動狀態(tài)，限制了穿戴者的柔性運(yùn)動[10]。外骨骼助行機(jī)器人的運(yùn)動與穿戴者下肢的動作差別很大，導(dǎo)致步態(tài)僵硬，難以協(xié)調(diào)穿戴者與外骨骼助行機(jī)器人在復(fù)雜地形的動作靈活性、運(yùn)動穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性，容易引起位姿誤差，不僅不能達(dá)到助行的效果，而且很有可能會使外骨骼助行機(jī)器人成為穿戴者的一種負(fù)擔(dān)。

外骨骼助行機(jī)器人的變剛度驅(qū)動，可以根據(jù)外部環(huán)境的變化來調(diào)節(jié)剛度，使得外骨骼助行機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，保證外骨骼助行機(jī)器人跟隨穿戴者一起改變運(yùn)動狀態(tài)，從而使人機(jī)的耦合運(yùn)動更加協(xié)調(diào)[11-12]。1 彈性元件的變剛度驅(qū)動

1.1 平衡位置的變剛度驅(qū)動

劉偉穎等[13]在下肢外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動，參考體、杠桿臂和旋轉(zhuǎn)體繞軸旋轉(zhuǎn)，參考體固定不動，如圖1所示，杠桿臂的末端與旋轉(zhuǎn)體的固定點(diǎn)用繩的一端連接彈簧，繩的另一端連接電機(jī)，通過電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)整杠桿臂來改變旋轉(zhuǎn)體的平衡位置，控制下肢外骨骼機(jī)器人的剛度變化，獲得較好的力學(xué)性能，提高耐沖擊性，降低阻抗，減少彈簧系統(tǒng)的共振。

何福本等[14]基于串聯(lián)彈性驅(qū)動，根據(jù)人體肌肉-肌腱的特性，設(shè)計(jì)了一種下肢外骨骼機(jī)器人的彈性驅(qū)動，模仿肌肉的收縮功能，利用牽引力對下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)進(jìn)行彈性驅(qū)動，如圖2所示。拉伸彈簧Sa和Sb產(chǎn)生拉力Fa和Fb，F(xiàn)a和Fb可以模仿人體肌肉-關(guān)節(jié)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(lián)彈性驅(qū)動模仿人體肌肉-肌腱的收縮功能，使下肢外骨骼機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動符合人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動特點(diǎn)，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動效果。

圖1 串聯(lián)彈性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 仿肌彈性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 結(jié)構(gòu)可控的變剛度驅(qū)動

馬挺等[15]設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)可控的柔性變剛度驅(qū)動，通過改變彈簧的轉(zhuǎn)動慣量和有效桿長，控制外骨骼機(jī)器人的剛度變化，如圖3所示。相對于傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動，這種結(jié)構(gòu)可控的柔性變剛度驅(qū)動讓驅(qū)動功率降低了31%，能耗減少了21%，解決了剛性驅(qū)動的主要缺點(diǎn)。

2 杠桿結(jié)構(gòu)的變剛度驅(qū)動

現(xiàn)有的杠桿結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)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(diǎn)與彈簧的距離為L1,支點(diǎn)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?。籐1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(jī)構(gòu)改變有效力臂，從而控制剛度變化，當(dāng)齒圈轉(zhuǎn)動的同時(shí)，行星架自轉(zhuǎn)，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(jié)構(gòu)可控柔性驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 杠桿結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動的原理圖

B.S.Kim等[17]設(shè)計(jì)了板簧結(jié)構(gòu)的變剛度驅(qū)動，如圖5所示，板簧連接在中心軸上，電機(jī)1和電機(jī)2通過曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同控制力臂長度，曲柄正向旋轉(zhuǎn)時(shí)，剛度不變，曲柄反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，移動支點(diǎn)在板簧上移動，剛度改變。

郭龍等[18]利用杠桿結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)型變剛度驅(qū)動，如圖6所示，底座為輸入端，轉(zhuǎn)動體為輸出端，在底座輸入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過彈簧片到達(dá)輸出端，使輸入端和輸出端發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，滾輪縱向移動，使支撐點(diǎn)的位置發(fā)生改變。在輸入端和輸出端相對轉(zhuǎn)角一致的情況下，系統(tǒng)所需轉(zhuǎn)矩不同，扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)剛度。

圖5 板簧結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 旋轉(zhuǎn)型變剛度驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

王偉等[19]設(shè)計(jì)了一種柔性齒條變剛度驅(qū)動，如圖7所示，電機(jī)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(fā)生不同程度的變形來改變剛度，扭轉(zhuǎn)剛度范圍為196.55～574.22 N·m/rad，響應(yīng)時(shí)間為2 s。

3 撓性結(jié)構(gòu)的變剛度驅(qū)動

王俊等[20]采用繩索驅(qū)動方式，設(shè)計(jì)了一種撓性結(jié)構(gòu)的變剛度驅(qū)動，如圖8所示。根據(jù)人體下肢的結(jié)構(gòu)型式和運(yùn)動特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了下肢外骨骼機(jī)器人的繩索驅(qū)動，由于不需要將驅(qū)動裝置安裝在關(guān)節(jié)處，從而使結(jié)構(gòu)更加緊湊。通過纏繞在髖關(guān)節(jié)、大腿綁定轉(zhuǎn)動副、膝關(guān)節(jié)、小腿綁定轉(zhuǎn)動副上的繩索，對下肢外骨骼機(jī)器人進(jìn)行變剛度驅(qū)動，使大腿連桿和小腿連桿擺動協(xié)調(diào)，產(chǎn)生柔順化的運(yùn)動效果。

圖7 柔性齒條變剛度驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 撓性結(jié)構(gòu)變剛度驅(qū)動的結(jié)構(gòu)示意圖

4 變剛度驅(qū)動的發(fā)展趨勢與展望

在國內(nèi)外學(xué)者的以往研究中，外骨骼助行機(jī)器人的變剛度驅(qū)動各有特色，但是許多關(guān)鍵科學(xué)問題仍未解決，需要進(jìn)一步深入研究。

1）目前的外骨骼助行機(jī)器人變剛度驅(qū)動雖然多種多樣，但是同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重，模仿性的跟蹤研究較多，缺乏獨(dú)特的自主創(chuàng)新。

2）外骨骼助行機(jī)器人關(guān)節(jié)之間沒有良好的變剛度驅(qū)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(jī)器人的正常運(yùn)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(jī)器人變剛度驅(qū)動，沒有涉及人體-機(jī)械-環(huán)境的改變，只能在實(shí)驗(yàn)條件下適合特定的個體，穿戴者與外骨骼助行機(jī)器人的運(yùn)動協(xié)同性較差，引起嚴(yán)重的位姿誤差，增加穿戴者的行走疲勞，不能適應(yīng)外部環(huán)境的變化，沒有很好的助行，有可能成為一種負(fù)擔(dān)，制約了外骨骼助行機(jī)器人的應(yīng)用。

這些關(guān)鍵科學(xué)問題如果不解決，就會制約外骨骼助行機(jī)器人的發(fā)展。

5 結(jié)語

外骨骼助行機(jī)器人的變剛度驅(qū)動是在仿生學(xué)、人體運(yùn)動學(xué)、機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)器人學(xué)、人機(jī)工程學(xué)、信息科學(xué)和實(shí)驗(yàn)科學(xué)等多學(xué)科背景下進(jìn)行的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，充分利用各學(xué)科交叉和融合產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)。近年來，雖然在外骨骼助行機(jī)器人的變剛度驅(qū)動方面取得了一些成果，但是大部分處于理論研究和試驗(yàn)測試階段。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，融入一些新穎的仿生理念、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成，設(shè)計(jì)外骨骼助行機(jī)器人的變剛度驅(qū)動，提升外骨骼助行機(jī)器人的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平和實(shí)踐應(yīng)用能力，具有重要的科學(xué)意義和社會價(jià)值。

［參考文獻(xiàn)］

[1] 宋遒志,王曉光,王鑫,等.多關(guān)節(jié)外骨骼助力機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析[J].兵工學(xué)報(bào),2016,37(1):172-185.

[2] MOONEY L M,HERR H M.Biomechanicalwalking mechanisms underlying the metabolic reduction caused by an autonomous exoskeleton [J].Journal of Neuroengineering&Rehabilitation,2016,13(1):1-12.

[3] 孫明艷,胡軍,劉有海,等.穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械,2016(1):43-48.

[4] GIORGIO C,DINO A,FABRIZIO S.A novel compact torsional spring for series elastic actuators for assistive wearable robots[J].Journal of Mechanical Design,2012,134:1-10.

[5] YAN T,CEMPINI M,ODDO C M.Review ofassistive strategies in powered lower-limb orthoses and exoskeletons[J].Robotics and Autonomous Systems,2015,64:120-136.

[6] MIAO Y J,GAO F,PAN D L.State classification and motion description for the lower extremity exoskeleton[J].Journal of Bionic Engineering,2014,11(2):249-258.

[7] SANZ-MERODIO D,CESTARI M,AREVALO J C,et al.Generation and controlofadaptive gaitsin lower-limb exoskeletons for motion assistance[J].Advanced Robotics,2014,28(5):329-338.

[8] LI Zhiqiang,XIE Hanxing,LI Weilin,et al.Proceeding of Human Exoskeleton Technology and Discussions on Future Research[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2014,27(3):437-447.

[9] YANG G Z,BELLINGHAM J,CHOSET H.Science for robotics and robotics for science[J].Science Robotics,2016,1(1):1-2.

[10] 孫明艷,胡軍,劉有海.穿戴式下肢外骨骼機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].機(jī)械,2016,43(1):43-48.

[11] 陳勇,李榮華,張連東.外骨骼助行機(jī)器人的人機(jī)耦合運(yùn)動特性[J].現(xiàn)代機(jī)械,2016(2):1-4.

[12] 陳勇,宋雪萍,李榮華.老年人外骨骼機(jī)器人斜坡行走的運(yùn)動學(xué)分析[J].機(jī)械,2016,43(1):36-39.

[13] 劉偉穎.助行腿串聯(lián)彈性驅(qū)動器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[14] 何福本,梁延德,孫捷夫.基于SEA的機(jī)器人仿肌彈性驅(qū)動關(guān)節(jié)研究[J].中國機(jī)械工程,2014,25(7):900-905.

[15]馬挺,郭險(xiǎn)峰.外骨骼機(jī)器人柔性變剛度驅(qū)動器設(shè)計(jì)[J].科技資訊,2014(35):65-66.

[16]JAFARI A,TSAGARAKIS N,CALDWELL D.Energy efficient actuators with adjustable stiffness:a review on AwAS,AwAS-II and CompACT VSA changing stiffness based on lever mechanism[J].Industrial Robot,2015,42(3):242-251.

[17]KIM B S,SONG J B.Hybrid dual actuator unit:A design of a variable stiffness actuator based on an adjustable moment arm mechanism[C]//IEEE International Conference on Robotics and Automation.IEEE.2010:1655-1660.

[18]郭龍.機(jī)器人可變剛度柔性關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)分析與試驗(yàn)研究[D].武漢:武漢科技大學(xué),2015.

[19] 王偉,劉立冬,魏來.柔性齒條式變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動器設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2016,52(1):26-33.

[20]王俊.變剛度繩驅(qū)動關(guān)節(jié)模塊研究[D].北京:中國科學(xué)院大學(xué),2016.