周加永，王保華，馬佳佳，吳瀟璞,李伯釗

(1.西北機電工程研究所，陜西咸陽 712099；2.北京理工大學(xué)機電學(xué)院，北京 100081)

0 前言

在阿富汗等高海拔戰(zhàn)區(qū)，美軍士兵為了執(zhí)行為期3天的作戰(zhàn)任務(wù)，單兵負荷居然達到了59～68 kg，且要在海拔2 500～3 000 m的山地地形服役15個月，令他們難以承受。其實，美國軍方很早就注意到了這個問題，并于2000年在國防部高級研究計劃局(DARPA)推動下啟動了名為“外骨骼士兵體力增強(EHPA)”的研究計劃。在該項目的資助下，美國各高校和研究機構(gòu)相繼開發(fā)了BLEEX、HULC、XOS2等軍用外骨骼，并于2011年又啟動了“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服項目，將助力外骨骼作為未來戰(zhàn)士系統(tǒng)的主要支撐。此外，俄羅斯的“戰(zhàn)士-3”、法國“菲林”、澳大利亞“未來戰(zhàn)士”等未來士兵系統(tǒng)均將集成下肢外骨骼助力系統(tǒng)，這表明軍用穿戴式助力機器人的研究熱度將進一步提升。我國也在提高單兵負重能力方面進行積極探索，并于2015年11月舉辦了“助力無限”穿戴式外骨骼助力系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽，2019年10月又舉辦了“超能勇士-2019”外骨骼挑戰(zhàn)賽，對我國軍用外骨骼的發(fā)展起到了很大的推動作用。

穿戴式助力機器人在軍用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，對保持單兵裝備總體競爭優(yōu)勢、提高部隊戰(zhàn)斗力和節(jié)約能源具有重要的意義，這也符合軍委首長“未來單兵系統(tǒng)就是外骨骼”的重要指示。本文作者主要對助力機器人的研究現(xiàn)狀、驅(qū)動系統(tǒng)和相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行分析。

1 國內(nèi)外穿戴式助力機器人研究現(xiàn)狀

穿戴式助力機器人最早是作為軍事用途而研制的，并以剛性形態(tài)為主。美國是最早進行軍用穿戴式助力機器人研究的國家，并走在世界的前列。隨后意大利、法國、俄羅斯、加拿大等國也先后進行了軍用助力機器人的研究，日本、韓國、以色列、中國等也相繼開展了助老助殘民用下肢外骨骼助力機器人的研制工作。

1.1 國外穿戴式助力機器人研究現(xiàn)狀

(1)美國

1965年，在美國國防部的支持下，通用電氣公司開始了如圖1所示的第一款剛性外骨骼系統(tǒng)——Hardiman的研制，采用液壓驅(qū)動，能源外置，但是受當時技術(shù)水平的限制，直到1970年只有一只手臂在給定指令的情況下可抬起約341 kg的重物。但是Hardiman開創(chuàng)了外骨骼研制的先河，并揭示了能源技術(shù)、人機交互技術(shù)、驅(qū)動技術(shù)、安全性技術(shù)以及穿戴舒適性等核心關(guān)鍵技術(shù)，極大地了推動外骨骼助力技術(shù)的發(fā)展。

圖1 Hardiman 圖2 BLEEX 圖3 ExoHiker 圖4 ExoClimber

加州大學(xué)伯克利分校(UCB)在美國國防部高級研究計劃局(DARPA)資助下于2004年推出了如圖 2所示的第一代單兵下肢外骨骼助力系統(tǒng)BLEEX，每條仿生機械腿設(shè)計有髖關(guān)節(jié)(3DOF)、膝關(guān)節(jié)(1DOF)和踝關(guān)節(jié)(3DOF)，其中髖關(guān)節(jié)兩個主動自由度，膝關(guān)節(jié)1個主動自由度，踝關(guān)節(jié)1個主動自由度，分別通過液壓缸進行驅(qū)動，其余3個被動自由度由彈簧來輔助驅(qū)動，可以在負荷340 N時以1.3 m/s的速度平穩(wěn)行走。該團隊在液壓驅(qū)動外骨骼的基礎(chǔ)上又開發(fā)了電機驅(qū)動的外骨骼，同等功率條件下電機驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量是液壓驅(qū)動系統(tǒng)的2倍。繼BLEEX研制成功后，在KAZEROONI教授的帶領(lǐng)下伯克利機器人與人類工程實驗室又開發(fā)了“ExoHiker”和“ExoClimber”下肢助力外骨骼，分別如圖3、圖4所示。ExoHiker是為長時間執(zhí)行任務(wù)攜帶重物而設(shè)計的，質(zhì)量14 kg，額定負荷680 N，液壓驅(qū)動；ExoClimber主要用于上樓梯和爬山，質(zhì)量22.7 kg，額定負荷680 N，能源采用小型燃料電池，液壓驅(qū)動。

麻省理工學(xué)院(MIT)于2006年研制成功了如圖5所示的用于步行時負重增強的準被動下肢外骨骼，質(zhì)量11.7 kg，在背負360 N外負載的情況下能夠?qū)?0%的載荷轉(zhuǎn)移到地面，在負重行走時只需要2 W的電力。美國雷神(Raytheon)公司下屬的薩克斯(Sarcos)公司于2007年研制出XOS液壓驅(qū)動全身外骨骼機器人，XOS質(zhì)量70 kg，在背負68 kg并手持23 kg的重物時可以1.6 m/s的速度行進。在XOS的基礎(chǔ)上，該公司于2010年又研制了第二代穿戴式外骨骼系統(tǒng)XOS-2型全身外骨骼，如圖6所示，能輕而易舉地舉起質(zhì)量90 kg的物體，該系統(tǒng)最大的難點在于無法將電源及液壓泵站集成到外骨骼機器人中，只能使用外部的能源。2019年，該公司又推出了一款用于機艙貨物快速搬運的外骨骼Guardian XO，如圖7所示，可以為佩戴者提供20倍的力量放大，能夠直觀實時地反射穿戴者的運動操作。

圖5 MIT欠驅(qū)動下 圖6 XOS-2 圖7 Guardian

2010年洛克希德·馬丁公司在從KAZEROONI教授手中購買了下肢助力外骨骼的專利，并進行改進性設(shè)計，開發(fā)了HULC下肢外骨骼助力系統(tǒng)，如圖8所示。新改進的HULC外骨骼系統(tǒng)質(zhì)量24 kg，負重90 kg，平地行進速度4 km/h時，電池續(xù)航里程為20 km，極限速度為16 km/h，可在30 s之內(nèi)脫下并折疊運輸，可適應(yīng)1.63～1.88 m的身高范圍。2017年，洛克希德·馬丁公司又開發(fā)出一款為士兵膝關(guān)節(jié)助力的外骨骼ONYX，這是一款下半身可穿戴外骨骼系統(tǒng)，如圖9所示，可有效減輕穿戴者背部和腿部負荷，采用電機驅(qū)動，協(xié)助穿戴者陡坡行走，托舉或拖拽重物。

圖8 HULC 圖9 ONYX 圖10 Soft Exosuit

由于剛性外骨骼存在質(zhì)量大、靈活度受限、穿戴舒適度差等缺點，美國學(xué)者在提升改進剛性外骨骼的同時也在進行柔性下肢外骨骼研制。哈佛大學(xué)懷斯生物研究所在美國國防部高級研究計劃局(DARPA)的資助下開發(fā)了柔性外骨骼機械服“Soft Exosuit”，如圖10所示，質(zhì)量為6.5 kg(含電池)，通過牽引鋼絲繩，將輔助力/力矩沿外衣本體傳遞至髖、踝關(guān)節(jié)。美國特種作戰(zhàn)司令部(SOCOM)提出供特戰(zhàn)隊員穿著的“戰(zhàn)術(shù)突擊輕型作戰(zhàn)服(TALOS)”項目，該作戰(zhàn)服采用外骨骼助力裝置，使士兵的綜合作戰(zhàn)能力得到大幅提升。此外，在助殘領(lǐng)域也有幾款性能優(yōu)良的產(chǎn)品推向市場，包括IHMC、Ekso、eLGEs等。

(2)歐洲

2011年法國RB3D公司研制的“大力神”(Hercule)外骨骼系統(tǒng)，采用電機驅(qū)動，主要由機械腿、機械臂和背部支撐架組成，如圖11所示，質(zhì)量17 kg，可持續(xù)供電3～6 h，3 h內(nèi)即可完成充電，系統(tǒng)的操作完全基于控制算法，使它能夠明白使用者意圖并與之配合完成各種動作。2014年，意大利比薩圣安娜高等教育學(xué)院研發(fā)了一款電動全身型外骨骼Body Extender，如圖12所示，全身設(shè)計有22個自由度，可以單手舉起50 kg重物，該系統(tǒng)在行走、蹲坐、搬運等常見操作條件下具有良好的性能。

圖11 法國Hercule 圖12 意大利Body

俄羅斯國防部第三中央研究所研制的“勇士-21”單兵外骨骼助力系統(tǒng)利用背包中的液壓單元作為能量來源，可承擔(dān)約95%的外負荷，保障士兵在平面或斜面上行走。2016年底還發(fā)布了帶有輕型外骨骼助力裝置的未來單兵概念演示系統(tǒng)，如圖13所示。2018年，俄羅斯的JSCGB工程公司展示了其最新研發(fā)的被動柔性外骨骼系統(tǒng)K2，如圖14所示，這套外骨骼系統(tǒng)采用無電設(shè)計，士兵穿戴這套外骨骼系統(tǒng)后能夠背負質(zhì)量達50 kg的背包輕松自如執(zhí)行任務(wù)。2015年，加拿大仿生動力公司研制的一種新型被動式可穿戴柔性外骨骼PowerWalk，如圖15所示，可吸收膝關(guān)節(jié)彎曲時做負功的能量發(fā)電，輸出功率可達12 W，節(jié)省了執(zhí)行長期野外任務(wù)時的電池裝載量。2017年，加拿大MAWASHI公司設(shè)計的UPRISE無動力外骨骼，如圖16所示，系統(tǒng)無需電池，可將肩膀上50%～80%的負荷轉(zhuǎn)移至地面，減輕士兵身體負擔(dān)，系統(tǒng)具有較好的運動適應(yīng)性，其運動阻力小于1%，支持匍匐、攀爬等各類戰(zhàn)術(shù)動作。

圖13 俄羅斯Rantnik-3 圖14 俄羅斯K2

圖15 加拿大PowerWalk 圖16 加拿大UPRISE

(3)亞洲

由于國情民情的因素，日本所研制的下肢助力外骨骼主要應(yīng)用在民用領(lǐng)域。從1999年起，日本筑波大學(xué)就開始了對具備助力和康復(fù)的HAL系列下肢運動輔助外骨骼的研究，到目前為止已經(jīng)開發(fā)了五代，如圖17所示，并開始推向市場進行試商用。HAL以肌電信號作為輔助控制器的輸入信息來感知穿戴者仿人運動信息，進而通過電機為各關(guān)節(jié)進行助力。由于HAL采用了肌電傳感器，對復(fù)雜惡劣的野外環(huán)境的適應(yīng)性差，所以不適合應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。

圖17 日本HAL系列外骨骼

日本東北大學(xué)設(shè)計了一款下肢助力外骨骼W.W.H-KH，如圖18所示，采用電機驅(qū)動，其中髖關(guān)節(jié)有兩個自由度，屈伸方向運動是主動的，外展-內(nèi)收方向運動是被動的。日本東京大學(xué)研制的農(nóng)業(yè)助力服W-A-R，如圖19所示，助力服總質(zhì)量約26 kg，在上肢的肩、肘關(guān)節(jié)和下肢的髖、膝關(guān)節(jié)采用超聲電機驅(qū)動提供主動助力，可以使穿戴者輕松舉起20 kg的重物。

圖18 日本W(wǎng).W.H-KH 圖19 日本W(wǎng)-A-R

2014年，韓國原子能科學(xué)研究院與漢陽大學(xué)合作設(shè)計了一款協(xié)助士兵步行和負載的下肢外骨骼系統(tǒng)，如圖20所示，這是一種前欠驅(qū)動的下肢外骨骼助力系統(tǒng)。2015年，韓國漢陽大學(xué)在HEXAR的基礎(chǔ)上設(shè)計開發(fā)了HEXAR-CR50，如圖21所示，質(zhì)量23 kg，額定負荷300 N，設(shè)計時采用半擬人化方案。2016年，LIG Nex1公司展出了其研制的LEXO液壓驅(qū)動式軍用外骨骼系統(tǒng)，如圖22所示，該系統(tǒng)的最大有效載荷為900 N，有效工作時間可達4 h。2017年，韓國現(xiàn)代汽車公司中央高級研究與工程學(xué)院設(shè)計了一款電動穿戴式助力機器人HUMA，如圖23所示，單側(cè)有6個自由度，髖關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動通過電機來驅(qū)動，其余自由度為被動自由度，通過彈簧的儲能與釋放來實現(xiàn)。

圖20 韓國士兵外骨骼 圖21 韓國HEXAR-CR50

圖22 韓國LEXO 圖23 韓國HUMA 圖24 土耳其ASYA

2017年，在土耳其首都伊斯坦布爾舉行的第13屆國際防務(wù)展上，土耳其阿瑟爾桑公司展出了其新研制的新型ASYA外骨骼系統(tǒng)，如圖24所示，將膝關(guān)節(jié)助動電機及傳動機構(gòu)布置于髖部外側(cè)，減少了運動部件質(zhì)量。

1.2 國內(nèi)穿戴式助力機器人研究現(xiàn)狀

我國在穿戴式助力機器人技術(shù)研究方面與美國等軍事強國還存在較大差距。2004年美國公開報道BLEEX項目后，國內(nèi)一些大學(xué)和科研機構(gòu)才開始從事類似研究。目前國內(nèi)研究處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與樣機研制并存的階段，主要是對人機耦合系統(tǒng)的負重運動機制進行研究，以及對各種機械、傳感、驅(qū)動、控制關(guān)鍵技術(shù)的研究與驗證，在設(shè)計理念、手段方法上并不落后，但原創(chuàng)性發(fā)明少，工程化、商業(yè)化應(yīng)用推進較緩慢。

海軍航空工程學(xué)院2006年研制成功了第一代能量輔助骨骼服NAEIES，如圖25所示，主動關(guān)節(jié)只有膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)通過連接在小腿上的氣彈簧來提供支撐力，背負15 kg重物可實現(xiàn)2 h的平地行走；2008年研制了第二代能量輔助骨骼服NAEIES-2，在膝關(guān)節(jié)處利用鋼絲拉索的形式傳遞動力，采用氣彈簧連接大腿桿到髖部以提供支撐。華東理工大學(xué)的曹恒教授團隊于2008年設(shè)計了ELEBOT下肢外骨骼，如圖26所示，2011年推出了第二代樣機ELEbot-2，兩代樣機均采用液壓驅(qū)動，通過伺服電機驅(qū)動液壓泵向膝關(guān)節(jié)處的液壓缸提供高壓油，液壓缸的動作由液壓換向閥的控制來實現(xiàn)。2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了可穿戴式下肢助力外骨骼機器人HIT-LEX，如圖27所示，設(shè)計了與人體下肢運動特性相適應(yīng)的14自由度外骨骼構(gòu)型，外骨骼樣機總質(zhì)量43 kg，其中電源模塊4.5 kg，實現(xiàn)了外骨骼與人體運動的同構(gòu)性及協(xié)調(diào)性。電子科技大學(xué)在2014年推出了PRMI，如圖28所示，質(zhì)量為21.5 kg，負重30 kg，在3 km/h的速度下連續(xù)行走2 h。

圖25 海航外骨骼 圖26 華東理工外骨骼

圖27 哈工大 圖28 電子科大 圖29 國內(nèi)部分科研機構(gòu)研制的下肢外骨骼機器人

國內(nèi)還有一些研究所和企業(yè)進行了相關(guān)助力外骨骼的研制，例如兵器208所、航天206所、兵器202所、船舶707所、航天18所、中科院深圳先進技術(shù)研究院、中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院、龍海特公司、深圳肯綮公司以及牛迪科技公司等單位也研發(fā)出了各自不同形態(tài)的下肢助力外骨骼，部分樣機形態(tài)如圖29所示。

2 穿戴式助力機器人國內(nèi)外對比分析

穿戴式助力機器人的軍事應(yīng)用以美國國防高級研究項目署、意大利國防部、法國武器裝備總署、韓國國防部以及土耳其國防部等支持研發(fā)的相關(guān)研究成果為代表；民用主要針對災(zāi)后救援或輔助重體力勞動等。近年來，國內(nèi)外針對下肢助力外骨骼民用方面的研究，已經(jīng)有從科研院所向企業(yè)轉(zhuǎn)變的趨勢，并且已有日常生活輔助或助老助殘的外骨骼產(chǎn)品推向市場，包括HAL、Ekso、ReWalk等。國內(nèi)外面向負重助行應(yīng)用的下肢助力外骨骼研究成果相關(guān)性能參數(shù)的對比如表1所示。

從表1可以看出：為實現(xiàn)下肢外骨骼助力的有效助力，大多數(shù)研究青睞于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)同時主動助力，這也符合穿戴式助力機器人在復(fù)雜環(huán)境下的使用要求。由于液壓驅(qū)動的外骨骼最大載質(zhì)量指標明顯大于電機驅(qū)動方式，所以以美國為代表的軍用外骨骼大都選用液壓驅(qū)動方式。然而，液壓驅(qū)動的方式也有較大的局限性，主要體現(xiàn)在小型化的液壓泵站與下肢助力外骨骼的一體化設(shè)計，以及系統(tǒng)較大的質(zhì)量及噪聲。所以如何提高液壓驅(qū)動的效率，減小體積和質(zhì)量，并實現(xiàn)模塊化設(shè)計已成為國內(nèi)外眾多學(xué)者和科研人員研究的熱點。所以，采用液壓助力實現(xiàn)液壓驅(qū)動系統(tǒng)輕小高效模塊化設(shè)計，并盡量降低外骨骼自身質(zhì)量，是未來軍用下肢助力外骨骼的重要發(fā)展方向。

表1 國內(nèi)外下肢助力外骨骼相關(guān)性能參數(shù)對比

3 穿戴式助力機器人驅(qū)動系統(tǒng)分析

由于驅(qū)動單元和能源單元是外骨骼系統(tǒng)實現(xiàn)助力功能的執(zhí)行部件，且系統(tǒng)質(zhì)量、承載能力、機動能力、助力效能、連續(xù)工作能力等技術(shù)指標都與這兩個單元的設(shè)計好壞密切相關(guān)，如何能在達到系統(tǒng)性能和功能的前提下，使驅(qū)動單元和能源單元盡可能質(zhì)量輕且體積小、高效、原理和組成盡可能簡單就顯得十分重要。

(1)集成式液壓驅(qū)動

液壓驅(qū)動方式在不減小關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩的情況下，能夠降低運動部件的質(zhì)量，便于士兵肢體活動。目前國內(nèi)外從事液壓驅(qū)動下肢外骨骼研制的單位大都選用標準的液壓元器件，然后通過相應(yīng)的控制策略來提高驅(qū)動性能，真正關(guān)注液壓驅(qū)動系統(tǒng)研究的單位較少，而液壓元件的微型、高效、集成化設(shè)計對提高外骨骼的驅(qū)動效率至關(guān)重要。

美國學(xué)者在液壓驅(qū)動系統(tǒng)輕小、集成、高效等方面進行了積極的探索研究。BLEEX第一代樣機將液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了高度的集成，并專門設(shè)計了專用的汽油機動力源HEPU發(fā)動機，該系統(tǒng)質(zhì)量27 kg，輸出功率2.5 kW，如圖30所示，在HEPU動力系統(tǒng)中齒輪系額定轉(zhuǎn)速約為6 300 r/min，為匹配齒輪系轉(zhuǎn)速其發(fā)動機降速運行，故發(fā)動機無法發(fā)揮最大性能。KIM等設(shè)計的液壓下肢外骨骼，將電機、液壓泵、伺服閥、油箱等進行了有效的集成，設(shè)計了HPUC液壓集成裝置，如圖31所示，采用雙模式控制，雙模式控制由姿態(tài)階段的主動模式和擺動階段的被動模式組成。OUYANG等設(shè)計了小型液壓動力裝置樣機CHPU，如圖32所示，該樣機質(zhì)量約20 kg，最大可向機器人提供1.5 kW液壓能源與160 W直流電力，攜帶5 kg燃料時可維持1.2 kW總功率持續(xù)運行4.5 h。

圖30 BLEEX液壓集成裝置 圖31 HPUC液壓集成裝置 圖32 CHPU集成

(2)新型電機驅(qū)動

電機驅(qū)動方式結(jié)構(gòu)簡單、控制相對容易、響應(yīng)快、效率較高，但由于電機的扭矩特性不能直接滿足外骨骼大承載的應(yīng)用需求，必須增加減速環(huán)節(jié)，導(dǎo)致驅(qū)動組件的體積、質(zhì)量大幅增加，不利于整體的輕量化，也影響了機構(gòu)的靈活性和整體的重心分配。電機驅(qū)動外骨骼一般應(yīng)用于助老助殘等民用領(lǐng)域，主要驅(qū)動方式有關(guān)節(jié)直驅(qū)和電機與末端執(zhí)行機構(gòu)分離兩種方式。關(guān)節(jié)直驅(qū)典型的代表是HAL、IHMC，Eks，eLGEs等，將電機減速機與關(guān)節(jié)進行集成化設(shè)計，最大限度減小驅(qū)動關(guān)節(jié)的大小和質(zhì)量。

為了滿足運動末端輕小化設(shè)計要求，國內(nèi)外研究人員對電機減速機與末端機構(gòu)分離的驅(qū)動形式進行了研究。ZHU等設(shè)計一種高扭矩密度的驅(qū)動機構(gòu)，如圖33所示，驅(qū)動機構(gòu)在支撐階段提供高的輸出扭矩，在擺動階段的阻礙作用很小，不借助離合器與彈性元件可以提供固有的后向驅(qū)動力。VENEMAN等設(shè)計一套由電機、套索、彈性元件構(gòu)成的驅(qū)動單元，如圖34所示，能較好地實現(xiàn)柔順驅(qū)動。XILOYANNIS等提出一種用于上肢柔性外骨骼一驅(qū)多的驅(qū)動方案，如圖35所示，采用模塊化設(shè)計，動力源來自一個電機，通過控制配置在外骨骼上不同的離合器來進行不同關(guān)節(jié)的驅(qū)動。TORREALBA等為下肢康復(fù)外骨骼設(shè)計一種變剛度阻抗控制的膝關(guān)節(jié)，通過電機、彈性元件和齒輪實現(xiàn)雙向驅(qū)動，如圖36所示。KO等設(shè)計安裝在外骨骼機器人背部的單一執(zhí)行機構(gòu)，通過差動齒輪、套索同時驅(qū)動兩條腿，如圖37所示。SEO等設(shè)計的穿戴式助力機器人采用電機驅(qū)動關(guān)節(jié)處的彈性元件實現(xiàn)柔順助力，上下斜坡/上下臺階助力效果明顯，如圖38所示。

圖33 高扭矩低阻抗驅(qū)動系統(tǒng)

圖34 柔性驅(qū)動系統(tǒng)

圖35 一驅(qū)多驅(qū)動系統(tǒng)

圖36 變剛度雙向驅(qū)動

圖37 套索驅(qū)動系統(tǒng)

圖38 電機+柔順機構(gòu)驅(qū)動

(3)新型氣壓驅(qū)動

氣動人工肌肉作為驅(qū)動元件，柔順性好，功率/質(zhì)量比大，動作平滑。但是，以氣動人工肌肉作為驅(qū)動元件只能通過壓力控制，不能根據(jù)驅(qū)動要求來調(diào)節(jié)驅(qū)動特性，存在典型的非線性，難以實現(xiàn)精確控制。為此國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)電機和人工肌肉驅(qū)動的特點，將二者進行了有效融合，研究基于電機和人工肌肉的驅(qū)動方式。

氣-電混合驅(qū)動最早是由KHATIB等于2007年提出來的，如圖39所示，并采用基于一對不同連接力控制的氣動肌肉的轉(zhuǎn)矩控制策略降低氣動肌肉帶寬有限、行為高度非線性的問題，HYON等第一次將氣-電混合驅(qū)動應(yīng)用于穿戴式助力機器人，來獲得精確的扭矩可控性、反驅(qū)動性和重力補償。

圖39 伺服電機+氣動人工肌肉驅(qū)動原理

4 剛?cè)狁詈洗┐魇街C器人關(guān)鍵技術(shù)分析

基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的分析以及調(diào)研，針對目前穿戴式助力機器人研究中的技術(shù)難點與瓶頸，擬圍繞剛?cè)狁詈现C器人仿生學(xué)構(gòu)型設(shè)計、高效輕小集成化液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)以及人機耦合協(xié)同控制等方面進行研究，為剛?cè)狁詈洗┐魇街C器人的研制提供重要的技術(shù)支撐。

(1)剛?cè)狁詈现C器人仿生學(xué)構(gòu)型設(shè)計

首先需要結(jié)合人機工程學(xué)以及擬人化的設(shè)計理念，從構(gòu)型設(shè)計上保障人機運動的同構(gòu)性及協(xié)調(diào)性，要突出外骨骼對士兵下肢的包裹性防護、背部仿生脊柱靈活與支撐功能并存。通過分析人體下肢的生理學(xué)結(jié)構(gòu)及行走機制，以及行走過程的動力學(xué)仿真，獲得行走過程中的下肢關(guān)節(jié)角度、扭矩、功率等參數(shù)，進行合理的外骨骼自由度分布方案設(shè)計和主動助力關(guān)節(jié)的選取。

(2)高效輕小集成化液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)研究

以輕小、高效、節(jié)能為目標，設(shè)計可用于力閉環(huán)控制或位置閉環(huán)控制的高功率密度小型化液壓驅(qū)動系統(tǒng)。采用輕量一體化設(shè)計技術(shù)和節(jié)能提效設(shè)計技術(shù)，最大限度地降低驅(qū)動單元的體積質(zhì)量，提高其功率密度。根據(jù)人體負重攜行的運動特點以及人體膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)運動能量關(guān)系，在直驅(qū)電液伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進行輕小液壓元器件的開發(fā)、新型集成高效輕小液壓伺服驅(qū)動系統(tǒng)的開發(fā)，將容積控制作為主要驅(qū)動方式，并結(jié)合自制微型液壓閥，實現(xiàn)膝關(guān)節(jié)的主動助力，進行與仿生外骨骼的機構(gòu)進行模塊化結(jié)合，并對驅(qū)動效率、電機與作為執(zhí)行元件的液壓缸的功率匹配進行研究。

(3)人機耦合協(xié)同控制

針對液壓系統(tǒng)的強時變、非線性特征，為實現(xiàn)助力機器人和穿戴者的人機交互更加平順，傳統(tǒng)的基于力或位置的控制方法已經(jīng)無法滿足實際應(yīng)用需求，必須采用主動柔順控制方法對執(zhí)行機構(gòu)末端進行柔順控制?；谖恢玫淖杩箍刂剖菍⒛┒私佑|力通過一定算法轉(zhuǎn)化為位置控制器的修正量，改變期望軌跡，或者減小既有運動的速度和加速度，從而阻止機構(gòu)末端接觸力過大，因此把位置控制作為內(nèi)環(huán)，力控制作為外環(huán)。對于助力機器人來說，其主要功能是在人體運動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生輔助力，而對末端位置沒有過高的精度要求，因此可采用基于逆動力學(xué)的阻抗控制來實現(xiàn)可穿戴柔性外骨骼機器人的控制功能。

5 小結(jié)

當前穿戴式助力機器人以剛性結(jié)構(gòu)為主，能耗較大，不能適應(yīng)野外復(fù)雜的地形環(huán)境，并不能很好地解決士兵“背不動”、“走不遠”、“走不快”等問題。為此，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，需要對穿戴式助力機器人的相關(guān)技術(shù)進行優(yōu)化與提升，研制一款剛?cè)狁詈系拇┐魇街C器人，重點解決仿生輕量化、高效驅(qū)動以及同步控制等關(guān)鍵技術(shù)，在保證有效助力的同時不影響士兵的戰(zhàn)術(shù)動作與復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性；在目前能源技術(shù)未突破的情況下，通過提高驅(qū)動系統(tǒng)的功率密度來增加續(xù)航時間，通過先進的同步控制方法實現(xiàn)下肢助力外骨骼與士兵的有效融合，實現(xiàn)“如影隨形”。