根據(jù)國家統(tǒng)計局公布的數(shù)據(jù)，2022年我國60歲以上的老年人約為2.8億人，占全國人口的19.8%。老年人中，因腿部疾病導(dǎo)致行走能力減弱或喪失的比例逐步提高。因此，為了提高老年人的生活質(zhì)量，研制步行輔助裝置（外骨骼裝置）十分必要。而超聲電機(jī)，作為一款新型作動器，具有低速大扭矩、快速響應(yīng)、不受電磁干擾和無噪音等優(yōu)勢，在外骨骼領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。

　　作為國內(nèi)專注于功率放大器研究的高科技企業(yè)，Aigtek功率放大器在超聲電機(jī)領(lǐng)域也有著良好應(yīng)用，今天Aigtek就為大家分享一篇來自于南京航空航天大學(xué)楊淋副教授、東京大學(xué)森田剛教授團(tuán)隊的最新研究成果：一種基于超聲電機(jī)驅(qū)動的外骨骼步行輔助裝置。

　　而超聲電機(jī)，作為一款新型作動器，具有低速大扭矩、快速響應(yīng)、不受電磁干擾和無噪音等優(yōu)勢，在外骨骼領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。因此，本研究提出了一種基于超聲電機(jī)驅(qū)動的外骨骼步行輔助裝置，用以輔助老年人步行。

　　一、試驗方法

　　如上圖的3D模型圖和結(jié)構(gòu)示意圖所示，本研究所提出的裝置主要由超聲電機(jī)、彈性元件、柔索、滑輪和旋轉(zhuǎn)部件組成。需要明確的是，伺服電機(jī)不提供任何扭矩，只是驅(qū)動旋轉(zhuǎn)部件模擬人腿運動。

　　通過建模，得到了裝置輔助力矩和減速比的數(shù)學(xué)模型，如下圖所示。可以注意到，該數(shù)學(xué)模型中，除φ2外皆為常數(shù)，隨著滑輪2位置的改變，轉(zhuǎn)動角度φ2也在發(fā)生變化，那么減速比也將發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致輔助力矩并不穩(wěn)定。

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　　為了解決這個問題，我們設(shè)計了一種變曲率的特殊滑輪，隨著轉(zhuǎn)動角度的變化，該滑輪的曲率半徑也會隨之變化，進(jìn)而保證減速比和輸出力矩的恒定，如下圖所示。

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　　解決了輸出力矩恒定的問題后，該裝置的啟動響應(yīng)時間需要重點關(guān)注，也就是需要將柔索1的長度變化與超聲電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián)起來進(jìn)行分析。

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　　以60電機(jī)和簡單的線彈簧為例，如上圖所示，可以得到彈性系數(shù)與響應(yīng)時間之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，彈簧越硬，響應(yīng)時間越短。為了縮短啟動響應(yīng)時間，應(yīng)選擇較硬的彈簧。對于該裝置，我們的設(shè)計預(yù)期是，啟動響應(yīng)時間應(yīng)低于100毫秒。接下來是實驗驗證與分析，原型機(jī)實物如下圖所示。

　　下圖為該外骨骼裝置的測試平臺，以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。旋轉(zhuǎn)部件抬起時，超聲電機(jī)卷起柔索拉伸彈簧，使柔索處于恒定張力下，提供恒定的輔助力矩抬腿。旋轉(zhuǎn)部件放下時，超聲電機(jī)釋放柔索，保持松弛直到恢復(fù)初始位置。該裝置只提供一個方向的支持，即輔助抬腿，放下腿時則不提供輔助。

　　結(jié)果

　　這里提供了四款彈簧的測試結(jié)果，就量級和趨勢而言，響應(yīng)時間的實測結(jié)果與理論結(jié)果是一致的，彈性系數(shù)為3200N/m的彈簧的響應(yīng)時間小于100毫秒，符合設(shè)計預(yù)期，因此選擇彈簧4作為后續(xù)實驗件。

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　　接下來將僅展示工作周期為1秒時的實驗結(jié)果，腿部運動速度為52°/s，該外骨骼裝置僅需86毫秒即可穩(wěn)定輸出1.6N·m的輔助力矩，可用于輔助頻率為1Hz的正常步行。此時超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)速為39rpm。

　　結(jié)論

　　本研究提出了一種基于超聲電機(jī)驅(qū)動的外骨骼步行輔助裝置，其具有以下的優(yōu)點：

　　（1）采用了超聲電機(jī)作為驅(qū)動源：低速大扭矩、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、快速響應(yīng)、不受電磁干擾、無噪音等。

　　（2）采用了柔索傳動方法：傳統(tǒng)的齒輪傳動，會存在摩擦損耗、輪齒隙、扭矩波動及噪音等問題；將柔索傳動和滑輪進(jìn)行配合以替代齒輪，不僅實現(xiàn)了扭矩放大，而且易于裝配和拆卸。

　　（3）采用了串聯(lián)彈性元件：抗沖擊能力和儲能能力強(qiáng)，系統(tǒng)控制更為精準(zhǔn)穩(wěn)定。

　　超聲電機(jī)輸出力矩小、功率低的特性，在一定程度上限制了其在外骨骼等需求較大力矩場景的應(yīng)用。同時，如果充分考慮該外骨骼裝置的便攜性，則超聲電機(jī)的移動電源問題仍需解決。該基于超聲電機(jī)的外骨骼裝置的研發(fā)仍有較大的進(jìn)步空間。

　　未來，我們將進(jìn)一步提升該外骨骼裝置的性能，改進(jìn)控制系統(tǒng)使得“抬腿”和“放腿”過程更符合人體生物學(xué)規(guī)律，而非目前固定的勻速過程。同時，我們將采用輸出力矩更大的改進(jìn)型60超聲電機(jī)作為驅(qū)動源進(jìn)一步增大輔助力矩。

　　作為一種電子測試儀器，功率放大器在超聲電機(jī)驅(qū)動中扮演著重要的角色。超聲電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動來獲得運動和力矩，將材料的微觀形變通過機(jī)械共振和摩擦耦合轉(zhuǎn)化為宏觀運動。為了驅(qū)動超聲電機(jī)，需要提供高頻交流電作為驅(qū)動電源。

　　功率放大器可以將較小的控制信號放大，從而為超聲電機(jī)提供足夠的驅(qū)動功率。在超聲電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中，功率放大器將控制信號放大后，通過信號發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號，然后提供給電機(jī)作為驅(qū)動電源。

　　此外，功率放大器還可以對超聲電機(jī)的輸出力矩進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)功率放大器的增益，可以改變超聲電機(jī)的輸出力矩，從而實現(xiàn)精確的運動控制。

　　ATA-7050高壓放大器

　　帶寬：（-3dB）DC~5kHz

　　電壓：10kVp-p（±5kVp）

　　電流：20mAp

　　功率：100Wp

　　壓擺率：≥111V/μs

西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率放大器模塊、功率信號源、射頻功率放大器、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測量儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)，為用戶提供具有競爭力的測試方案。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當(dāng)規(guī)模的儀器設(shè)備供應(yīng)商，樣機(jī)都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等產(chǎn)品，請持續(xù)關(guān)注安泰電子官網(wǎng)m.gairou.cn或撥打029-88865020。

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