根據國家統計局公(gong)布的(de)(de)數據，2022年(nian)我國60歲以(yi)上的(de)(de)老(lao)年(nian)人(ren)(ren)(ren)約為(wei)2.8億人(ren)(ren)(ren)，占全(quan)國人(ren)(ren)(ren)口(kou)的(de)(de)19.8%。老(lao)年(nian)人(ren)(ren)(ren)中，因腿部(bu)疾病導(dao)致行(xing)(xing)走(zou)能(neng)力減弱(ruo)或喪失的(de)(de)比(bi)例逐步提(ti)高。因此，為(wei)了提(ti)高老(lao)年(nian)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)生活質量，研制步行(xing)(xing)輔助(zhu)裝置(zhi)（外骨(gu)骼裝置(zhi)）十分必要。而超(chao)聲電機，作為(wei)一(yi)款新型(xing)作動器(qi)，具有(you)低速(su)大(da)扭矩、快(kuai)速(su)響應、不(bu)受電磁干擾(rao)和無噪(zao)音等(deng)優勢，在外骨(gu)骼領域(yu)有(you)著誘人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)應用前景(jing)。

　　作為國內專注于功率放大器研究的高科技企業，Aigtek功率放大器在超(chao)(chao)聲電(dian)機(ji)(ji)領域也有著良(liang)好應用(yong)，今天Aigtek就為(wei)大家分享一(yi)篇(pian)來自于(yu)(yu)南京航空(kong)航天大學楊淋(lin)副(fu)教授(shou)、東京大學森田剛教授(shou)團隊(dui)的最新研究(jiu)成果：一(yi)種基于(yu)(yu)超(chao)(chao)聲電(dian)機(ji)(ji)驅動的外骨骼(ge)步(bu)行輔(fu)助裝置。

　　而超聲(sheng)電(dian)機，作(zuo)為一款新(xin)型(xing)作(zuo)動器，具有低速大(da)扭(niu)矩、快速響應、不受電(dian)磁干擾和無噪音等優勢(shi)，在外(wai)骨(gu)(gu)骼領域有著誘人(ren)的(de)應用前景。因此，本研究提出了一種基于超聲(sheng)電(dian)機驅動的(de)外(wai)骨(gu)(gu)骼步行輔助裝置，用以輔助老年人(ren)步行。

　　一、試驗方法

　　如上圖(tu)的(de)3D模型圖(tu)和結(jie)構示(shi)意圖(tu)所示(shi)，本研究所提(ti)出的(de)裝(zhuang)置主要由超聲電(dian)機、彈性元件、柔索、滑輪和旋轉部件組成(cheng)。需要明確的(de)是(shi)，伺服電(dian)機不提(ti)供任(ren)何扭矩，只是(shi)驅動旋轉部件模擬人腿運動。

　　通過(guo)建模，得到了裝置輔(fu)助力(li)矩(ju)和減(jian)速比的數學(xue)模型(xing)，如下圖(tu)所示(shi)。可以(yi)注(zhu)意(yi)到，該數學(xue)模型(xing)中(zhong)，除φ2外皆為(wei)常數，隨著滑(hua)輪2位置的改變，轉動(dong)角(jiao)度φ2也在發生(sheng)變化，那么減(jian)速比也將發生(sheng)變化，進而導(dao)致輔(fu)助力(li)矩(ju)并不穩定。

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　　為了解決這個問題，我(wo)們(men)設計(ji)了一種變曲(qu)(qu)率的(de)特殊(shu)滑(hua)輪，隨著轉動(dong)角度的(de)變化(hua)，該滑(hua)輪的(de)曲(qu)(qu)率半徑也會(hui)隨之變化(hua)，進(jin)而保證減速比和輸出力(li)矩的(de)恒定，如下圖所(suo)示。

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　　解決了輸出力(li)矩恒(heng)定的(de)問(wen)題后，該(gai)裝置的(de)啟動(dong)響應時間(jian)需要重點(dian)關注，也就是需要將(jiang)柔索1的(de)長度變化與超(chao)聲電機(ji)的(de)啟動(dong)轉速關聯起來進(jin)行分析。

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　　以(yi)60電機和(he)簡單的(de)線(xian)彈(dan)簧(huang)為例，如上圖所(suo)示，可(ke)以(yi)得到彈(dan)性系(xi)數(shu)與(yu)響應時間之間的(de)關系(xi)，可(ke)以(yi)發現，彈(dan)簧(huang)越硬，響應時間越短。為了縮(suo)短啟動(dong)(dong)響應時間，應選擇較硬的(de)彈(dan)簧(huang)。對于該(gai)裝置(zhi)，我們的(de)設計預(yu)期是，啟動(dong)(dong)響應時間應低(di)于100毫秒。接(jie)下(xia)來(lai)是實驗(yan)驗(yan)證與(yu)分析(xi)，原型機實物如下(xia)圖所(suo)示。

　　下圖(tu)為該外骨(gu)骼(ge)裝(zhuang)置的測試平臺，以(yi)進(jin)行(xing)數據采集。旋(xuan)轉部件抬(tai)起(qi)時，超聲電機卷起(qi)柔(rou)(rou)索拉伸彈簧(huang)，使柔(rou)(rou)索處(chu)于恒(heng)定(ding)張(zhang)力(li)下，提(ti)(ti)(ti)供恒(heng)定(ding)的輔(fu)助(zhu)(zhu)力(li)矩抬(tai)腿(tui)。旋(xuan)轉部件放(fang)下時，超聲電機釋放(fang)柔(rou)(rou)索，保持(chi)松(song)弛(chi)直到恢復初始(shi)位置。該裝(zhuang)置只(zhi)提(ti)(ti)(ti)供一(yi)個(ge)方向的支持(chi)，即輔(fu)助(zhu)(zhu)抬(tai)腿(tui)，放(fang)下腿(tui)時則不提(ti)(ti)(ti)供輔(fu)助(zhu)(zhu)。

　　結果

　　這里提供了四款彈(dan)簧(huang)的(de)(de)測試(shi)結(jie)果(guo)，就量級和趨勢而(er)言，響應(ying)時間的(de)(de)實測結(jie)果(guo)與理論(lun)結(jie)果(guo)是一致的(de)(de)，彈(dan)性系(xi)數為3200N/m的(de)(de)彈(dan)簧(huang)的(de)(de)響應(ying)時間小(xiao)于100毫秒，符合設計預期，因此選擇彈(dan)簧(huang)4作(zuo)為后續實驗(yan)件。

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　　接下來將僅(jin)展(zhan)示工作周期為(wei)1秒(miao)時的(de)實(shi)驗結果(guo)，腿部運動速度為(wei)52°/s，該外(wai)骨骼(ge)裝(zhuang)置僅(jin)需86毫秒(miao)即可穩(wen)定(ding)輸(shu)出1.6N·m的(de)輔助力矩，可用于輔助頻率為(wei)1Hz的(de)正常步行。此時超聲電機的(de)轉速為(wei)39rpm。

　　結論

　　本研究提出了一種(zhong)基于超聲電機驅動的外骨骼步行輔助裝置(zhi)，其具有(you)以下的優點：

　　（1）采(cai)用了超聲電(dian)機作為驅(qu)動(dong)源(yuan)：低速大扭矩、結構緊湊、重量輕、快速響應、不(bu)受(shou)電(dian)磁干擾、無(wu)噪音等。

　　（2）采用了柔索(suo)傳(chuan)動方(fang)法：傳(chuan)統(tong)的齒輪(lun)傳(chuan)動，會存在摩(mo)擦(ca)損耗、輪(lun)齒隙、扭矩波動及噪(zao)音等問題；將柔索(suo)傳(chuan)動和滑輪(lun)進行配合以(yi)替代(dai)齒輪(lun)，不僅實現了扭矩放(fang)大(da)，而且易于裝(zhuang)配和拆(chai)卸。

　　（3）采(cai)用了串聯彈性元件：抗沖(chong)擊能力(li)和儲能能力(li)強，系統控制更為精(jing)準(zhun)穩定。

　　超(chao)(chao)聲電(dian)機(ji)輸出(chu)力矩(ju)小、功率低(di)的(de)特性，在一定程度上限制了其在外骨骼等(deng)需求較大(da)力矩(ju)場景的(de)應用。同時，如果充分考慮該外骨骼裝置的(de)便攜性，則超(chao)(chao)聲電(dian)機(ji)的(de)移動電(dian)源(yuan)問題仍(reng)需解(jie)決。該基于(yu)超(chao)(chao)聲電(dian)機(ji)的(de)外骨骼裝置的(de)研(yan)發仍(reng)有較大(da)的(de)進步(bu)空間。

　　未來，我們將(jiang)進一步(bu)提升該外骨骼(ge)裝置的(de)性能，改(gai)進控制系統使得“抬腿(tui)”和(he)“放腿(tui)”過(guo)程更符合(he)人體生物學規律，而非目前固定(ding)的(de)勻速過(guo)程。同時，我們將(jiang)采用輸(shu)出(chu)力矩(ju)更大的(de)改(gai)進型(xing)60超聲電機作(zuo)為驅動源進一步(bu)增大輔(fu)助力矩(ju)。

　　作為(wei)一(yi)種(zhong)電(dian)子測(ce)試儀器，功率放大器在超(chao)(chao)(chao)聲電(dian)機驅(qu)動(dong)(dong)中扮演著重要(yao)的角色。超(chao)(chao)(chao)聲電(dian)機利用壓電(dian)陶瓷的逆壓電(dian)效應和超(chao)(chao)(chao)聲振動(dong)(dong)來(lai)獲得(de)運動(dong)(dong)和力矩，將材(cai)料(liao)的微觀(guan)形(xing)變通(tong)過(guo)機械共振和摩擦耦合(he)轉化為(wei)宏觀(guan)運動(dong)(dong)。為(wei)了驅(qu)動(dong)(dong)超(chao)(chao)(chao)聲電(dian)機，需要(yao)提供高(gao)頻交流電(dian)作為(wei)驅(qu)動(dong)(dong)電(dian)源(yuan)。

　　功率放大器可以將較(jiao)小(xiao)的(de)控(kong)制(zhi)(zhi)信號放大，從而為超聲電機(ji)提(ti)供(gong)足夠的(de)驅(qu)動(dong)功率。在超聲電機(ji)驅(qu)動(dong)系統中，功率放大器將控(kong)制(zhi)(zhi)信號放大后，通過(guo)信號發生器產生高頻正弦(xian)信號，然后提(ti)供(gong)給電機(ji)作為驅(qu)動(dong)電源。

　　此外，功率放大(da)器還可(ke)(ke)以對(dui)超聲(sheng)電機的輸(shu)出力矩進行調(diao)節和控(kong)制。通過調(diao)節功率放大(da)器的增益，可(ke)(ke)以改變超聲(sheng)電機的輸(shu)出力矩，從而實(shi)現精確的運動控(kong)制。

　　ATA-7050高壓放(fang)大器

　　帶寬：（-3dB）DC~5kHz

　　電(dian)壓：10kVp-p（±5kVp）

　　電流：20mAp

　　功率：100Wp

　　壓(ya)擺率：≥111V/μs

西安安泰電子是(shi)專業從事功(gong)率放(fang)大(da)器、高壓放大器、功率放大器模塊、功率信號源(yuan)、射(she)頻功率(lv)放大器、前置微小(xiao)信號放大器、高精度電壓源、高(gao)精度電流(liu)源等(deng)電子測(ce)量儀器(qi)研發、生產(chan)和銷(xiao)售的高(gao)科技企業，為用戶提供(gong)具有競爭力的測(ce)試(shi)方案。Aigtek已經成為在業界擁有廣(guang)泛(fan)產(chan)品線，且具有相(xiang)當規(gui)模的儀器(qi)設備供(gong)應商，樣機都支持免費試(shi)用。如想了(le)解更多(duo)功率放大器(qi)等(deng)產(chan)品，請持續關(guan)注安泰電子官網hkdyw.cn或撥打029-88865020。