高扭矩密度系列弹性驱动轻量化全集成踝足外骨骼系统设计与验证

《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》：A Lightweight, Fully Integrated Ankle Exoskeleton With High-Torque Density Series-Elastic Actuation

本刊推荐：为解决传统踝足外骨骼重量大、体积笨重、缺乏保护罩及需要背负外部设备等现实应用难题，研究团队开展了基于线性系列弹性驱动器（SEA）的轻量化全集成踝足外骨骼设计研究。该研究通过创新性的机械传动结构（双级齿轮+滚珠丝杠+四连杆机构）和嵌入式电子系统，实现了37.1 Nm/kg的扭矩密度和81.5 W/kg的功率密度，-3 dB带宽超过19 Hz。其紧凑型全封闭设计为康复训练和日常辅助提供了更实用的解决方案。

　　

行走是人类最基本的活动能力之一，然而对于踝关节功能受损的人群（如中风患者、老年人或肢体损伤者），日常行走却变得异常困难。踝关节在步态周期中需要产生高达50 Nm的扭矩，而传统的外骨骼设备往往因为重量过大、结构笨重而难以实际应用。更糟糕的是，这些设备通常需要用户背负沉重的电池包和控制箱，还有电线沿着腿部延伸，这不仅限制了活动自由度，还增加了使用过程中的安全隐患。

现有的解决方案面临着一个两难困境：若将驱动系统放置在躯干附近，虽然减少了远端质量对代谢成本的影响，但需要复杂的传动系统和长长的线缆；若将整个系统集成在腿部，又会导致设备过重，反而增加使用者的能量消耗。研究表明，脚踝处增加的质量对行走代谢成本的影响是躯干处的四倍之多。此外，许多研究用外骨骼缺乏必要的保护罩，且后置的驱动器设计使得使用者无法进行下楼梯、驾驶等日常活动。

针对这些挑战，犹他大学的研究团队在《IEEE Transactions on Medical Robotics and Bionics》上发表了一项创新研究，提出了一种全新的轻量化全集成踝足外骨骼设计。该设备将所有机械部件（驱动器、传动系统）和电子部件（传感器、控制电路、电池）完全集成在一个紧凑的封闭结构内，总重量仅1.24 kg，却能够提供高达46 Nm的峰值扭矩。

这项研究的核心创新在于采用了一种高扭矩密度的系列弹性驱动器（SEA）设计。与传统的刚性驱动器不同，SEA通过在驱动链中引入弹性元件，不仅能够实现高精度的力矩控制，还能储存和释放机械能，显著降低电机所需的峰值功率和能量消耗。仿真结果显示，这种设计能够降低52.2%的电能消耗和42.5%的电机峰值机械功率。

研究人员还解决了外骨骼与人体解剖结构对齐的难题。该设备集成了六个被动自由度（pDOF），形成一个自对齐机制，能够自动补偿外骨骼关节与人体踝关节之间的偏差，减少不必要的力和力矩，提高使用舒适度。整个外骨骼被设计在胫骨外侧，宽度仅24 mm，避免了对日常活动（如下楼梯、驾驶）的干扰。

在技术方法上，研究团队主要采用了以下几项关键技术：基于MATLAB的动力学仿真框架用于优化传动系统参数；线性系列弹性驱动器（SEA）与四连杆机构相结合的机械设计；全定制嵌入式电子系统（包括高压级控制板、电机驱动板和底层控制板）；基于有限状态机的可变刚度阻抗控制策略；以及针对三名健康受试者的跑步机行走实验验证。

设计与仿真

研究团队首先建立了详细的动力学模型，模拟外骨骼在步态周期中的力学行为。模型包含双级齿轮传动（传动比4.05:1）、滚珠丝杠和偏置滑块曲柄四连杆机构，其中弹性元件的加入显著改善了系统性能。

机械设计

驱动系统的核心是一个无刷直流电机，通过两级螺旋齿轮驱动滚珠丝杠，进而推动一个特制的弹簧组装体。该弹簧在压缩和拉伸时表现出不同的刚度特性（压缩173 N/mm，拉伸137 N/mm），这种非线性特性被整合到控制算法中。外骨骼与用户的连接通过3D打印的矫形壳体和柔性绑带实现，集成的自对齐机制确保使用舒适性。

控制系统

控制系统采用分层结构：底层是基于PID的力矩闭环控制，利用弹簧变形量实时计算关节力矩；高层是可变刚度阻抗控制，根据步态状态（滚动、推动、摆动）调整刚度、阻尼和平衡点参数。

台架实验

性能测试显示，该外骨骼的力矩控制带宽在20 Nm时达到17.6-19.2 Hz，远高于大多数同类设备。在透明模式下（期望力矩为零），系统的等效惯性和阻尼分别降低了43.1%和84.5%，最小背驱力矩降低87.8%，表明其具有良好的反向驱动特性。

人体实验

三名健康受试者的跑步机行走实验证实了该外骨骼的实际辅助能力。设备提供了约生理踝力矩三分之一到一半的辅助扭矩（峰值达45.7 Nm），功率输出达88.1 W。计算得到的扭矩密度为37.1 Nm/kg，功率密度为81.5 W/kg，均处于领域领先水平。

与传统设计相比，该全集成方案消除了对外部背包和腿部线缆的依赖，虽然增加了约200 g的腿部重量，但总质量与那些已证明能降低代谢消耗的电缆驱动外骨骼相当。其独特的单弹簧设计比传统的双弹簧SEA方案更轻巧，而自对齐机制确保了良好的用户体验。

讨论部分指出，当前设计的主要局限是需要定制鞋垫，未来可考虑采用半柔性鞋垫解决方案以增强实用性。虽然实验中观察到的踝关节运动学与生理模式存在差异（如蹬离期提前），但这可能与受试者适应时间较短有关。电气能耗（26.9 J/步）高于仿真值（13.4 J/步），主要是因为实际辅助策略只提供正功，而仿真中假设了能量再生。

该研究的重要意义在于首次实现了无需外部背包的全集成踝足外骨骼，为日常环境中的移动辅助提供了切实可行的解决方案。其高扭矩密度和低输出阻抗特性为康复训练和日常辅助开辟了新途径，特别是对于踝关节功能受损的人群。未来工作将聚焦于临床验证和控制器优化，以充分发挥其在真实世界中的应用潜力。