外骨骼助行机器人变刚度驱动的研究进展

陈勇， 吴维， 朱希伟， 康乾， 李荣华， 张连东

（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连 116028）

0 引 言

外骨骼助行机器人穿戴在老年人的腿上，充当人体的外骨骼，帮助老年人重新站立和行走，促进血液循环，防止肌肉萎缩，减少并发症的发生，恢复运动能力和生活能力，重新回归社会，满足老年人的迫切需求。

目前，外骨骼助行机器人的驱动方式主要包括电机驱动[1-3]、液压驱动[4-6]、气压驱动[7-9]。电机驱动比较笨重，体积较大，影响了外骨骼助行机器人的轻便性和灵活性。液压驱动的响应速度较慢，精度较低，结构复杂，制造和维护的成本较高，而且密封性不好，容易导致油液泄漏，能量利用率较低，容易造成能量浪费。气压驱动的信号传递速度较慢，运动稳定性较差。当穿戴者行走在复杂路面需要改变运动状态时，穿戴者肌肉的收缩和伸展会引起穿戴部位的变形，传统的刚性驱动不能使外骨骼助行机器人跟随穿戴者改变运动状态，限制了穿戴者的柔性运动[10]。外骨骼助行机器人的运动与穿戴者下肢的动作差别很大，导致步态僵硬，难以协调穿戴者与外骨骼助行机器人在复杂地形的动作灵活性、运动稳定性和环境适应性，容易引起位姿误差，不仅不能达到助行的效果，而且很有可能会使外骨骼助行机器人成为穿戴者的一种负担。

外骨骼助行机器人的变刚度驱动，可以根据外部环境的变化来调节刚度，使得外骨骼助行机器人能够实时进行姿态调整，保证外骨骼助行机器人跟随穿戴者一起改变运动状态，从而使人机的耦合运动更加协调[11-12]。1 弹性元件的变刚度驱动

1.1 平衡位置的变刚度驱动

刘伟颖等[13]在下肢外骨骼机器人的设计中，采用了串联弹性驱动，参考体、杠杆臂和旋转体绕轴旋转，参考体固定不动，如图1所示，杠杆臂的末端与旋转体的固定点用绳的一端连接弹簧，绳的另一端连接电机，通过电机实时调整杠杆臂来改变旋转体的平衡位置，控制下肢外骨骼机器人的刚度变化，获得较好的力学性能，提高耐冲击性，降低阻抗，减少弹簧系统的共振。

何福本等[14]基于串联弹性驱动，根据人体肌肉-肌腱的特性，设计了一种下肢外骨骼机器人的弹性驱动，模仿肌肉的收缩功能，利用牵引力对下肢外骨骼机器人的关节进行弹性驱动，如图2所示。拉伸弹簧Sa和Sb产生拉力Fa和Fb，Fa和Fb可以模仿人体肌肉-关节的伸肌和屈肌作用，在编码器1和编码器2的共同作用下，利用串联弹性驱动模仿人体肌肉-肌腱的收缩功能，使下肢外骨骼机器人的关节运动符合人体关节的运动特点，产生柔顺化的运动效果。

图1 串联弹性驱动的结构示意图

图2 仿肌弹性驱动的结构示意图

1.2 结构可控的变刚度驱动

马挺等[15]设计了一种结构可控的柔性变刚度驱动，通过改变弹簧的转动惯量和有效杆长，控制外骨骼机器人的刚度变化，如图3所示。相对于传统的刚性驱动，这种结构可控的柔性变刚度驱动让驱动功率降低了31%，能耗减少了21%，解决了刚性驱动的主要缺点。

2 杠杆结构的变刚度驱动

现有的杠杆结构变刚度驱动有4种，如图4所示[16]。

在图4（a）中，有效力臂为L，通过改变L来控制刚度变化，L增大则刚度增大，L减小则刚度减小。在图4（b）中，支点与弹簧的距离为L1,支点与外力F的距离为L2，通过改变L1/L2来控制刚度变化：L1减小，L2增大，则L1/L2减小，刚度减小；L1增大，L2减小，则L1/L2增大，刚度增大。在图4（c）中，有效力臂为L，通过改变L来控制刚度变化，L增大则刚度减小，L减小则刚度增大。在图4（d）中，采用齿轮齿条机构改变有效力臂，从而控制刚度变化，当齿圈转动的同时，行星架自转，带动齿条移动，齿条移动带动弹簧滑块移动，有效力臂改变，刚度改变。

图3 结构可控柔性驱动的结构示意图

图4 杠杆结构变刚度驱动的原理图

B.S.Kim等[17]设计了板簧结构的变刚度驱动，如图5所示，板簧连接在中心轴上，电机1和电机2通过曲柄滑块机构共同控制力臂长度，曲柄正向旋转时，刚度不变，曲柄反向旋转时，移动支点在板簧上移动，刚度改变。

郭龙等[18]利用杠杆结构，设计了一种旋转型变刚度驱动，如图6所示，底座为输入端，转动体为输出端，在底座输入旋转运动，通过弹簧片到达输出端，使输入端和输出端发生相对转动，滚轮纵向移动，使支撑点的位置发生改变。在输入端和输出端相对转角一致的情况下，系统所需转矩不同，扭转刚度也不同，通过改变滚轮的位置，改变输入端和输出端的扭转刚度。

图5 板簧结构变刚度驱动的结构示意图

图6 旋转型变刚度驱动的结构示意图

王伟等[19]设计了一种柔性齿条变刚度驱动，如图7所示，电机带动齿轮在柔性齿条上滚动，改变齿轮施加给柔性齿条的作用力，使柔性齿条发生不同程度的变形来改变刚度，扭转刚度范围为196.55～574.22 N·m/rad，响应时间为2 s。

3 挠性结构的变刚度驱动

王俊等[20]采用绳索驱动方式，设计了一种挠性结构的变刚度驱动，如图8所示。根据人体下肢的结构型式和运动特点，设计了下肢外骨骼机器人的绳索驱动，由于不需要将驱动装置安装在关节处，从而使结构更加紧凑。通过缠绕在髋关节、大腿绑定转动副、膝关节、小腿绑定转动副上的绳索，对下肢外骨骼机器人进行变刚度驱动，使大腿连杆和小腿连杆摆动协调，产生柔顺化的运动效果。

图7 柔性齿条变刚度驱动的结构示意图

图8 挠性结构变刚度驱动的结构示意图

4 变刚度驱动的发展趋势与展望

在国内外学者的以往研究中，外骨骼助行机器人的变刚度驱动各有特色，但是许多关键科学问题仍未解决，需要进一步深入研究。

1）目前的外骨骼助行机器人变刚度驱动虽然多种多样，但是同质化现象严重，模仿性的跟踪研究较多，缺乏独特的自主创新。

2）外骨骼助行机器人关节之间没有良好的变刚度驱动，在抬腿和落地的瞬间，腿部受到较大的冲击，影响外骨骼助行机器人的正常运动，很可能对穿戴者肢体造成二次伤害。

3）目前的外骨骼助行机器人变刚度驱动，没有涉及人体-机械-环境的改变，只能在实验条件下适合特定的个体，穿戴者与外骨骼助行机器人的运动协同性较差，引起严重的位姿误差，增加穿戴者的行走疲劳，不能适应外部环境的变化，没有很好的助行，有可能成为一种负担，制约了外骨骼助行机器人的应用。

这些关键科学问题如果不解决，就会制约外骨骼助行机器人的发展。

5 结语

外骨骼助行机器人的变刚度驱动是在仿生学、人体运动学、机构学、机器人学、人机工程学、信息科学和实验科学等多学科背景下进行的创新性设计，充分利用各学科交叉和融合产生的协同效应。近年来，虽然在外骨骼助行机器人的变刚度驱动方面取得了一些成果，但是大部分处于理论研究和试验测试阶段。随着科学技术的不断发展，融入一些新颖的仿生理念、设计准则、工作原理和系统构成，设计外骨骼助行机器人的变刚度驱动，提升外骨骼助行机器人的创新设计水平和实践应用能力，具有重要的科学意义和社会价值。

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