用于轻量高背驱高带宽髋部外骨骼的准直驱作动

高性能执行器对实现下肢可穿戴机器人的机械多功能性至关重要，此类机器人需轻量、高背驱性且高带宽。最先进的执行器，如串联弹性执行器 (SEA)，不得不以牺牲带宽为代价来改善柔顺性（即背驱性）。本文中，我们描述基于定制准直驱 (QDD) 作动（即具有低减速比的高转矩密度电机）的便携式髋部外骨骼的设计与人-机器人交互建模。我们还给出代表性执行器在转矩能力、控制带宽、背驱性与力跟踪精度方面的基于模型性能基准比较。本文旨在印证“为控制而设计”的底层理念，即精细的机器人设计可简化控制算法同时确保高性能。遵循该思想，我们研制了一款轻量双侧髋部外骨骼（总质量 3.4 kg）以减轻正常活动（包括行走与下蹲）中的关节负荷。实验结果表明，该外骨骼能够产生高标称转矩（17.5 Nm）、高背驱性（0.4 Nm 背驱转矩）、高带宽（62.4 Hz）与高控制精度（1.09 Nm 均方根跟踪误差，即期望峰值转矩的 5.4%）。其控制器可灵活辅助不同速度行走（0.8-1.4 m/s）与 2 秒节奏下蹲。本工作相比由传统作动或 SEA 驱动的最先进外骨骼，在背驱性与控制带宽上展现出显著改进。