宋品清 黃建昌

摘 要：近年來，下肢外骨骼機器人的應(yīng)用越來越廣泛。研究者把下肢外骨骼機器人的驅(qū)動方式分為四類，即液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動及人工肌肉驅(qū)動，并分別介紹了這四種方式的工作原理，闡述其優(yōu)缺點，最后對其未來的發(fā)展趨勢進行展望。

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

中圖分類號：TP242文獻標(biāo)識碼：A文章編號：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，下肢外骨骼機器人作為一種輔助設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，在軍事、醫(yī)療領(lǐng)域尤為常見。它是一種可穿戴的機械裝置，靈感來源于一些動物自身的外骨骼，結(jié)合動力學(xué)、仿生學(xué)等學(xué)科制造，在輔助運動及康復(fù)方面有著重要應(yīng)用[1]。按照驅(qū)動方式，可將下肢外骨骼分為四類，即液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動、電機驅(qū)動以及人工肌肉驅(qū)動[2]。本文對下肢外骨骼機器人的驅(qū)動方式進行了闡述。

1 下肢外骨骼機器人驅(qū)動方式的分類

1.1 液壓驅(qū)動

在當(dāng)今機器人和自動化應(yīng)用中，非常注重高功率-質(zhì)量比[3]。而液壓驅(qū)動存在較大的功率-質(zhì)量比，可以提供良好的運動速度和堅固性，同時確保了可靠性。液壓驅(qū)動通過流體介質(zhì)傳遞能量，從而實現(xiàn)傳動。液壓驅(qū)動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）。液壓泵是動力元件，主要向整個液壓系統(tǒng)提供動力;液壓缸是執(zhí)行元件，將系統(tǒng)內(nèi)液體的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，使外骨骼的兩條下肢繞關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動;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)控制外骨骼的每個關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)的數(shù)字液壓缸支持穿戴者實現(xiàn)蹲下和快速行走。液壓驅(qū)動有著較高的精度和靈敏度，優(yōu)缺點如表1所示。BLEEX是加州大學(xué)伯克利分校研發(fā)的液壓驅(qū)動下肢外骨骼機器人[4]，用于行軍負(fù)重。

1.2 氣壓驅(qū)動

氣壓驅(qū)動使用氣體作為介質(zhì)，原理與液壓驅(qū)動類似，通過傳感器采集穿戴者動作，控制閥控制氣體，并推動氣缸活塞實現(xiàn)傳動，其行走的性能取決于所使用氣缸的效率。以機器人Gamma為例[5]，其氣壓驅(qū)動系統(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)動的機械式離合器，通過控制阻塞其機械元件來實現(xiàn)能量的儲存和釋放。TBC通過真空管線與閥門相連，空氣壓縮機壓縮空氣使得TBC系統(tǒng)嚙合，在穿戴者運動時，松緊帶會變長。

使用空氣壓縮來產(chǎn)生扭矩可實現(xiàn)外骨骼的輕量化，設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)速度快，并且具有較強的抗沖擊性能。由于氣體的可壓縮性，系統(tǒng)的安全性大大提高，同時降低了設(shè)備成本。但是，氣動裝置控制精度低。

1.3 電機驅(qū)動

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

電機驅(qū)動的優(yōu)點是應(yīng)用范圍廣、控制和維護方便、系統(tǒng)簡單、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是電機驅(qū)動方式，但它也含有液壓組件。其髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)各有一個液壓缸，最大可供負(fù)重91 kg，速度可達到4.8 km/h。

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

1.4 人工肌肉驅(qū)動

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

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

2 對下肢外骨骼機器人的展望

2.1 新的驅(qū)動方式的研究

四種驅(qū)動方式都存在一定的缺點，近年來，世界各國的研究者也在致力于解決相關(guān)問題。目前，新的驅(qū)動方式已經(jīng)出現(xiàn)，如使用柔性驅(qū)動器的外骨骼康復(fù)機器人已經(jīng)進入臨床測試[6]。哈佛大學(xué)的Octobot是柔性機器人，采用微流控來驅(qū)動[7]。

2.2 改進控制策略

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

2.3 優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)

外骨骼機器人往往尺寸較大，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)能讓其在輕量化上邁進一大步，從而獲得更好的性能。具體而言，優(yōu)化傳動方式、改進電池與蓄電設(shè)備、嘗試新型材料都可以作為優(yōu)化的角度。

3 結(jié)語

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

參考文獻：

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[4]ZOSS A ，KAZEROONI H ，CHU A . On the mechanical design of the Berkeley Lower Extremity Exoskeleton （BLEEX）[C]// Intelligent Robots and Systems， 2005. （IROS 2005）. 2005 IEEE/RSJ International Conference on. IEEE， 2005.

[5]NATALI C D，SADEGHI A，MONDINI A，et al. Pneumatic Quasi-Passive Actuation for Soft Assistive Lower Limbs Exoskeleton[J].Frontiers in Neurorobotics，2020（14）：31.

[6]下肢康復(fù)外骨骼機器人BEAR-H1[EB/OL].[2020-12-10].http：//milebot.com.cn/exo/.

[7] Mazzolai B，Mattoli V . Robotics： Generation soft[J]. Nature，2016（7617）：400-401.