康復機器人柔順變剛度驅動機構研究進展

陸盛，胡冰山，程科，喻洪流，倪偉

1.上海理工大學康復工程與技術研究所，上海市 200093；2.上海康復器械工程技術研究中心，上海市200093

康復機器人既要求具備合適的剛度，保證閉環控制的穩定性和良好的控制帶寬，以在規定時間內帶動患者肢體到達指定位置實現被動訓練[1]；還必須具備良好的柔順性，在主動訓練和抗阻訓練階段跟隨患者肢體，并分別給患者肢體施加不同的作用力，以保證康復過程的安全性和舒適性，增強康復訓練的效果[2]。傳統康復機器人通常在剛性驅動機構的基礎上，增加傳感器種類和數量，通過采集足夠多的位置、力矩、速度等數據，設計能夠高效處理這些數據的控制器控制康復機器人的阻抗[3]。這就使得此類驅動機構要求傳感器、驅動及控制電路運行速度足夠快，并且控制器復雜，要求建立精確的動力學模型[4]。而且傳統剛性驅動機構不是本質柔順，不能儲存能量，也不能吸收碰撞瞬時的能量。

與傳統機器人相比，以肌肉骨骼系統作為驅動的人類，能夠調節肢體關節剛度以適應環境的變化，在控制位置的同時，具有良好的柔順變剛度特性。例如當肘關節作屈肘運動時，肱二頭肌收縮，肱三頭肌放松；當關節位置不變時，肌肉張力增加，即關節的剛度增加[5-6]。若能使康復機器人驅動關節也具有良好的變剛度特性，同時具備本質柔順屬性，無疑將使康復機器人更能適應被動、主動及抗阻訓練時剛度的變化，并提高人機交互的安全性和環境適應性[7-8]。

本文在查閱國內外大量文獻的基礎上，分析目前的變剛度驅動機構的原理并進行分類，對變剛度機構在康復機器人中的應用進行綜述，總結目前變剛度機構在康復機器人應用中存在的問題及發展趨勢。

1 變剛度驅動機構原理

變剛度驅動機構是指驅動機構輸出端與環境之間的剛度可以調節的一類驅動機構，變剛度驅動機構有多種分類方式，如按照電機布局可分為并聯型和串聯型兩大類。本文按照驅動機構中變剛度部件的機械原理分為四大類：彈性元件柔順變剛度機構、氣動主動柔順變剛度機構、電-磁柔順變剛度機構和智能材料柔順變剛度機構。

1.1 彈性元件柔順變剛度機構

彈性元件柔順變剛度機構按照結構形式可分為三角形結構、四桿結構、杠桿結構和特殊曲面結構4類[9]。

1.1.1三角形結構

三角形結構彈性元件柔順變剛度機構工作原理見圖1。它多運用在繩驅機構上，由動滑輪、定滑輪組成的滑輪組和定剛度彈簧構成。當繩子兩端受力時，動滑輪上抬，彈簧壓縮量發生改變，改變繩子上的張緊力，最終調整繩驅動機構末端的剛度。剛度(K)表達式如下：

圖1 三角形結構彈性元件柔順變剛度機構原理

式(1)、(2)中，a為動滑輪到定滑輪組之間的橫向距離，b為動滑輪到繩末端的縱向距離，b-λ為彈簧的形變量，θ為繩與繩之間的夾角，L為斜邊的繩長，F為繩末端的拉力。

Ogane 等[10-11]為仿生肌骨機器人設計的繩驅動機構(圖2)和德國宇航中心研制的DAVID 機器人系統中的變剛度五指手(圖3)就采用這種三角形結構的變剛度機構，當繩子兩端拉伸時，彈簧壓縮量發生變化，變剛度驅動機構的剛度特性也隨之發生改變。該類變剛度驅動機構的剛度特性與機構中的彈簧剛度，以及定滑輪、動滑輪之間的幾何位置有關，一旦選定就無法改變固有機械剛度，沒有設置專門的剛度調節電機。

圖2 仿生肌骨機器人繩驅動機構[10]

圖3 德宇航DAVID手臂[11]

1.1.2四桿結構

四桿結構彈性元件柔順變剛度驅動機構工作原理見圖4。它運用在轉動關節上，由剛度調節電機、滑塊、四桿和彈簧組成。剛度調節電機推動滑塊相向移動，拉伸彈簧，剛度發生變化。

圖4 四桿結構變剛度彈性元件變剛度原理

Huang等[12]設計的連續狀態耦合彈性驅動機構(圖5)就采用四桿結構變剛度原理。其中的剛度調節電機帶動雙端螺紋絲杠轉動，剛度調整螺母滑塊向兩側移動調節彈簧預壓縮量調節剛度。當輸出軸上受到環境負載時，扭矩使得蝸桿移動，壓縮一側彈簧，另一側彈簧延長。

圖5 連續狀態耦合彈性驅動變剛度機構[12]

Li等[13]研制一種特殊的四桿結構變剛度驅動機構(圖6)。四桿結構變剛度驅動機構主要由彈簧、鋼纜、若干滑輪、輸入法蘭、輸出法蘭和蝸輪、蝸桿組成。蝸輪、蝸桿轉動，繃緊或放松鋼絲繩，調節彈簧的預壓縮量。輸出法蘭相對于輸入法蘭轉動時，當鋼絲繩被拉緊時，整個結構呈現高剛度；當鋼絲繩處于放松時，整個結構處于柔順狀態。

圖6 四桿結構變剛度機構模型[13]

1.1.3杠桿結構

杠桿結構彈性元件變剛度驅動機構運作原理有3 種，通過移動彈簧位置、負載點、杠桿支點位置來調節機構的剛度特性(圖7)。

當杠桿支點和負載點位置恒定時，通過調節彈簧的位置，改變杠桿臂的長度來調整機構的剛度，如圖7(a)所示，彈簧位置離杠桿支點越遠，剛度越大，反之亦然。剛度表達式如下：

式(4)中：τ表示外力F的等效外力矩，θ表示杠桿受外力產生的偏角，R表示有效杠桿臂(彈簧與支點間的距離)，k表示彈簧的彈性系數。

當杠桿支點和彈簧位置恒定時，通過調節負載點在杠桿上的位置，改變有效杠桿臂的長度來調整機構的剛度，如圖7(b)所示，負載點離杠桿支點越遠剛度越小，反之亦然。剛度表達式如下：

當負載點和彈簧位置恒定時，調節杠桿支點的位置，從而調整機構的剛度，如圖7(c)所示。變剛度表達式如下：

圖7 杠桿結構變剛度驅動機構原理

式(6)中：R1表示支點到彈簧間的距離，R2表示支點到外力作用點的距離，α為杠桿力臂的比值，即α=R1/R2。當α變小時，剛度越大，反之亦然[14]。

Okubo 等[15]基于杠桿結構變彈簧位置剛度調節原理(圖8)，研制一種可以用于外骨骼的變剛度驅動機構。其設計的新穎之處在于，彈簧力垂直于改變剛度所需的位移，調整剛度時所需的能量小。

圖8 變剛度驅動機構[15]

基于杠桿結構變負載點剛度調節原理，Visser 等[16]設計一種變剛度驅動機構(圖9)，包含杠桿機構、彈簧、電機，該機構能夠提高能源效率，達到節能效果。

圖9 變剛度驅動機構[16]

基于杠桿結構變杠桿支點剛度調節原理，Sun 等[17]設計一種串聯變剛度機構(圖10)。其位置控制電機安裝于主軸上，變剛度驅動電機偏置于位置控制電機側面，調控阿基米德螺旋凸輪的轉動。該剛度驅動機構包括杠桿結構、對置彈簧、阿基米德螺旋凸輪盤，通過阿基米德螺旋凸輪盤的轉動，帶動杠桿支點沿杠桿平移，杠桿支點位置發生變化，整個機構的剛度也隨之改變。該機構具有彈簧保持沿彈簧軸壓縮，彈簧力垂直于輸出桿傳遞力并能夠提供較大的偏轉角的優點。

圖10 旋轉串聯變剛度機構[17]

1.1.4特殊曲面結構

特殊曲面柔順變剛度機構工作原理見圖11。利用凸輪或特殊曲面的非線性弧度對彈簧進行壓縮，受非線性弧度的影響，彈簧壓縮量呈現非線性趨勢，使機構具有非線性剛度調節特點。其剛度表達式如下：

圖11 特殊曲面結構原理

式(7)(8)中μ為凸輪與凸輪盤間的摩擦力，fl(φ)為凸輪盤輪廓線，R為凸輪盤半徑，r為凸輪半徑，k為彈簧剛度，l為彈簧預壓縮量，φ為關節形變角，θ為位置電機轉動角。

Wolf 等[18]研制變剛度關節浮動彈簧關節(floating spring joint,FSJ) (圖12)，其位置控制電機安裝在諧波減速器波發生器與殼體之間，變剛度驅動機構串聯在柔輪與關節輸出軸之間，變剛度驅動機構包括剛度調整電機、減速器、凸輪盤、凸輪和彈簧，通過剛度控制電機改變凸輪盤的相對位置，控制彈簧的預載荷，調整關節的剛度；當關節受到被動力矩載荷時，凸輪盤發生相對轉動，產生彈性恢復力矩。Zhu 等[18-19]結合凸輪變剛度原理和杠桿結構變杠桿支點剛度調節原理研制一種新型變剛度機構，該機構由輸出軸、杠桿、直線螺桿單元、凸輪盤、兩個帶滾子的滑塊組成。凸輪盤轉動壓縮彈簧，產生彈力，彈力傳遞到杠桿上，再由剛度調整電機控制樞軸的位置實現剛度的變化。

圖12 變剛度關節FSJ示意圖[18]

1.2 氣動元件柔順變剛度驅動機構

氣動元件本身具有阻抗，同時又由柔順韌性材料制成，因此運用氣動元件作為變剛度部件是近幾年熱門的研究方向。氣動主動柔順變剛度驅動機構可分為三大類[20]，包含耦合結構變剛度機構、阻塞原理變剛度機構和層干擾變剛度機構。

1.2.1耦合結構變剛度機構

耦合結構的原理是利用冗余驅動形成結構間的拮抗作用，使其處于一種受力平衡、結構穩定的狀態來調整其剛度。

Giannaccini等[21]設計一種變剛度氣動連續體機械臂(圖13)。該機械臂由6 塊收縮氣動肌肉驅動器和1 塊伸展氣動肌肉驅動器平行布置而成，通過控制組合式氣動肌肉驅動器的壓力可以得到一系列不同的剛度。例如，通過同時增加伸展和收縮氣動肌肉驅動器的內壓，可讓機械臂呈現高剛度狀態；對伸展氣動肌肉驅動器充氣，并對6 塊收縮氣動肌肉驅動器放氣，可讓機械臂呈現柔順狀態。

圖13 氣動連續體機械臂[21]

1.2.2阻塞原理變剛度機構

阻塞原理變剛度是利用固體顆粒物質在受限的環境中失去流動性，改變驅動機構的剛度特性(圖14)。在氣動元件中利用顆粒阻塞來實現剛度的調節是最常見的方式。

圖14 阻塞原理

Li 等[22]提出一種變剛度柔性末端效應器(圖15)。該夾持器由柔性硅膠驅動器、顆粒組件和外殼組合而成。對驅動器充氣，顆粒組件受到壓力的擠壓喪失流動性，產生阻塞現象，使末端效應器手爪呈現高剛度狀態。

圖15 無源粒子阻塞末端效應器[22]

1.2.3層干擾變剛度機構

層干擾變剛度(圖16)是通過外力、負壓等方式增大層與層之間的摩擦力和拮抗作用，使得機構呈現剛度特性的變化，其變剛度計算公式如下：

圖16 層干擾原理

式(9)(10)中，p為機構表面承受的外界壓力，ω為機構表面的寬度，L為機構表面的長度，F為機構承受的拉力。將面與面之間的接觸數量定義為n，面與面間的摩擦系數為μ，可增加p的值來改變F的大小，當S長度不變時，剛度隨F的增大而增大[23]。

Choi等[24]基于層干擾變剛度原理設計滑動連桿層干擾機構(圖17)。整個機構由線性剛度可變的柔性外殼、氣動驅動機構、柔性鉸鏈、層干擾機構組成。氣動驅動機構將柔性外殼內部抽成真空狀態，受真空狀態影響，層與層之間的屈服應力增大，剛度增大，結構更加穩定。

圖17 滑動連桿層干擾機構層間干擾機構[24]

1.3 電-磁元件柔順變剛度機構

電-磁元件柔順變剛度是最近幾年開發的一種新型變剛度驅動機構，它利用電磁場改變機構剛度特性，目前主要分為靜電層干擾變剛度機構和電流磁效應變剛度機構。

1.3.1靜電層干擾變剛度機構

基于靜電吸附原理，Wang 等[25]提出的一種靜電層干擾變剛度(圖18)軟體機器人。靜電層干擾變剛度和氣動層干擾原理相同，不同的是前者通過靜電吸引來擠壓材料層，使得層與層間產生摩擦力，摩擦力限制層與層之間的相對滑動，從而實現機構剛度的調整。靜電層干擾變剛度與氣動層干擾相比具有更大的剛度變化能力，且更節省空間。

圖18 靜電層干擾[25]

1.3.2電流磁效應變剛度機構

Heya 等[26]提出一種磁絲杠變剛度驅動機構(圖19)，它利用兩個轉軸產生磁相位差，調整機構剛度特性。位置控制電機帶動絲杠正轉，剛度調節電機帶動轉軸3 反轉，磁性螺母轉軸2由轉軸3 帶動，磁絲杠轉軸1 與磁性螺母轉軸2 反向轉動產生相位差，推動轉軸3 向右移動。該機構由于無摩擦接觸，驅動效率高，它可以在沒有機械彈簧的情況下靈活地響應外力；同時有效解決了變剛度機構變剛度傳遞過程中產生的振動、噪聲，以及由摩擦導致傳動效率低下等問題。

圖19 磁絲杠變剛度驅動機構[26]

1.4 智能材料變剛度柔順機構

智能材料變剛度柔順機構指的是在材料或者結構方面具有可控的變剛度能力。利用形狀記憶合金的應力應變隨溫度變化的特點，Liao 等[27]提出一種形狀記憶合金變剛度驅動機構(圖20)，通過電流調節形狀記憶合金的溫度，進而控制嵌入形狀記憶合金絲的聚已酸內酯管道的剛度。該機構在斷電時，管道的溫度等于室溫，此時驅動機構的剛度最小。通電后，管道溫度逐漸升高，驅動機構剛度逐漸增大。

圖20 記憶合金變剛度機構[27]

2 變剛度驅動機構在康復機器人中的應用

變剛度驅動機構由于其本質柔順特性及機械剛度的可調整性，目前正逐步應用到上下肢康復機器人、被動助力下肢外骨骼和智能仿生假肢中。

2.1 上下肢康復機器人中的變剛度機構

腦卒中、截癱患者肢體的剛度隨著康復階段而發生變換，柔順變剛度驅動機構剛度調節范圍較寬，能夠更好適應患者肢體剛度的變化，被動柔順特性的引入則提高了人機交互的安全性，可適應痙攣、碰撞等情況的發生。

Liu 等[28]設計一種變剛度肘關節外骨骼康復機器人(圖21)。在主動康復訓練和被動康復訓練模式中，可為那些上肢特定損傷患者提供最佳的肘關節剛度。對于上肢嚴重受損的患者，外骨骼可以在柔順模式下帶動患者的手臂完成康復訓練；當患者恢復了上肢部分能力時，患者可以在高剛度模式下進行康復訓練。Song等[29]基于特殊曲面變剛度原理設計的膝關節康復機器人(圖22)，實現了“低負荷、低剛度與高負荷、高剛度”的人機交互特性，因其具有非線性剛度調節，康復過程中可以更好模擬人體與外界環境的相互作用，從而達到更好的康復訓練效果。

圖21 肘關節外骨骼康復機器人[28]

圖22 膝關節康復機器人[29]

2.2 被動助力外骨骼中的變剛度機構

不同身高、體質量的人在不同速度下、不同步態階段時，下肢主要關節剛度存在差異[13]，被動變剛度外骨骼能更好適應關節的剛度變化，提供良好的人機交互，起到助力效果，減少人體能耗。

基于特殊曲面柔順變剛度原理，Yu等[30]設計一種無動力變剛度儲能外骨骼(圖23)，該外骨骼通過髖關節處的儲能彈簧儲存行走過程中髖關節所做的負功，在髖關節做正功的階段時將能量釋放，以輔助穿戴者行走，減少行走過程中的能量消耗。該外骨骼髖關節剛度可手動調節，以適應穿戴者步速和體質量的變化，更好達到助行效果。

圖23 無外動力變剛度儲能機構[30]

2.3 假肢變剛度康復機構

人類肢體關節呈現變剛度特性，在下一代假肢中引入變剛度功能，可提高人機交互安全性和魯棒性，并使其更加貼合真實的肢體。

Lemerle 等[31]設計一款變剛度肘關節假肢(圖24)，在形態、質量和輸出性能方面都接近于人體生物力學性能，系統輸出函數與人體肌骨模型相似，表明該款假肢關節在運動時會顯得十分自然。Glanzer等[32]提出一個準被動踝足假肢(圖25)。準被動踝足假肢有助于適應不平坦的地面，并改善坡道上的生物力學性能。這款準被動踝足假肢具有非線性、自定義的扭矩角曲線，在線調節不同運動任務的整體剛度。

圖24 變剛度肘關節假肢[31]

圖25 準被動踝足假肢[32]

3 存在問題及發展趨勢

變剛度驅動機構由于其本質柔順特性及機械剛度的可調整性，目前已經逐步應用到各類康復機器人中。對目前已有的各類康復機器人變剛度驅動機構優缺點的總結如下。

在結構和加工方面，串聯變剛度機構通過調節杠桿支點來改變剛度，剛度變化范圍較大，但相應帶來機構尺寸大的弊端[33-35]；凸輪變剛度機構利用曲線輪廓產生非線性剛度，因此在加工時對輪廓的加工精度要求較高。

在能耗方面，形狀記憶合金的復合材料變剛度驅動機構在通斷電時剛度會發生變化。但此類驅動機構的剛度特性受到尺寸(如復合材料管的直徑、長度)、溫度等多個參數的影響，并且由于其靠加熱形狀記憶合金實現剛度改變，功耗大，響應慢[27]。

在剛度取值范圍方面，氣動驅動變剛度機構可以提供很高的功率重量比，但它們的剛度太小，不能獨立作用于末端執行器，且剛度變化范圍有限。基于杠桿原理串聯變剛度機構，在理論上可以達到從0～∞的剛度特性[21]。

在剛度響應方面，靜電層干擾柔順變剛度機構由于不需要電機來改變剛度特性，結構小而緊湊，但它需要高達2000 V的電壓調整剛度，且剛度變化有滯后現象。

在剛度輸出扭矩曲線方面，大多數基于杠桿的變剛度驅動機構，扭矩曲線依賴于杠桿的長度，很難達到理想的漸進式扭矩曲線。而凸輪機構的剛度依賴于彈簧的預壓縮量，即使在空載的情況下，用于調整剛度的電機也必須連續輸出扭矩，不節能。

新一代的康復機器人對柔順變剛度關節提出迫切的需求，綜合上述變剛度機構的優缺點，康復機器人柔順變剛度機構在機械上應具備緊湊的結構，良好的剛度特性(輸出關節具備較大的轉動角和剛度)，受到外界環境沖擊載荷時能有效緩解瞬間的載荷力，可達到理想的剛度輸出扭矩曲線(輸出關節可隨著轉動角的改變實時調節剛度)；在控制上應具備良好的穩定性、快速的響應性和較高的精確性，不能產生往復震顫現象，提供更安全、舒適、高效的變剛度康復訓練。

4 小結

本文按照驅動機構中變剛度部件的機械結構組成，分為彈性元件柔順變剛度機構、氣動主動柔順變剛度機構、電-磁柔順變剛度機構和智能材料柔順變剛度機構四大類，并分別陳述各類機構變剛度原理，分析了各類變剛度機構特點；隨后介紹了變剛度機構在上下肢康復機器人、被動助力下肢外骨骼及智能仿生假肢中運用及重要性；最后對本文中所提到的變剛度驅動機構進行優劣分析。

康復機器人柔順變剛度驅動機構在與環境互動中能體現固有順應性，在自然行為方面適應人體關節的機械能力，在康復時能適應患者肢體剛度變化以達到最佳的康復訓練效果，因此需要設計具備較大的可調剛度范圍、結構緊湊、低能耗、高響應的變剛度驅動機構。