根據國家統計局公布的數據，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量，研制步行輔助裝置（外骨骼裝置）十分必要。而超聲電機，作為一款新型作動器，具有低速大扭矩、快速響應、不受電磁干擾和無噪音等優勢，在外骨骼領域有著誘人的應用前景。

　　作為國內專注于功率放大器研究的高科技企業，Aigtek功率放大器在超聲電機領域也有著良好應用，今天Aigtek就為大家分享一篇來自于南京航空航天大學楊淋副教授、東京大學森田剛教授團隊的最新研究成果：一種基于超聲電機驅動的外骨骼步行輔助裝置。

　　而超聲電機，作為一款新型作動器，具有低速大扭矩、快速響應、不受電磁干擾和無噪音等優勢，在外骨骼領域有著誘人的應用前景。因此，本研究提出了一種基于超聲電機驅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模型圖和結構示意圖所示，本研究所提出的裝置主要由超聲電機、彈性元件、柔索、滑輪和旋轉部件組成。需要明確的是，伺服電機不提供任何扭矩，只是驅動旋轉部件模擬人腿運動。

　　通過建模，得到了裝置輔助力矩和減速比的數學模型，如下圖所示。可以注意到，該數學模型中，除φ2外皆為常數，隨著滑輪2位置的改變，轉動角度φ2也在發生變化，那么減速比也將發生變化，進而導致輔助力矩并不穩定。

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　　為了解決這個問題，我們設計了一種變曲率的特殊滑輪，隨著轉動角度的變化，該滑輪的曲率半徑也會隨之變化，進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，該裝置的啟動響應時間需要重點關注，也就是需要將柔索1的長度變化與超聲電機的啟動轉速關聯起來進行分析。

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　　以60電機和簡單的線彈簧為例，如上圖所示，可以得到彈性系數與響應時間之間的關系，可以發現，彈簧越硬，響應時間越短。為了縮短啟動響應時間，應選擇較硬的彈簧。對于該裝置，我們的設計預期是，啟動響應時間應低于100毫秒。接下來是實驗驗證與分析，原型機實物如下圖所示。

　　下圖為該外骨骼裝置的測試平臺，以進行數據采集。旋轉部件抬起時，超聲電機卷起柔索拉伸彈簧，使柔索處于恒定張力下，提供恒定的輔助力矩抬腿。旋轉部件放下時，超聲電機釋放柔索，保持松弛直到恢復初始位置。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。

　　結果

　　這里提供了四款彈簧的測試結果，就量級和趨勢而言，響應時間的實測結果與理論結果是一致的，彈性系數為3200N/m的彈簧的響應時間小于100毫秒，符合設計預期，因此選擇彈簧4作為后續實驗件。

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

　　結論

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

　　（1）采用了超聲電機作為驅動源：低速大扭矩、結構緊湊、重量輕、快速響應、不受電磁干擾、無噪音等。

　　（2）采用了柔索傳動方法：傳統的齒輪傳動，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行配合以替代齒輪，不僅實現了扭矩放大，而且易于裝配和拆卸。

　　（3）采用了串聯彈性元件：抗沖擊能力和儲能能力強，系統控制更為精準穩定。

　　超聲電機輸出力矩小、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用。同時，如果充分考慮該外骨骼裝置的便攜性，則超聲電機的移動電源問題仍需解決。該基于超聲電機的外骨骼裝置的研發仍有較大的進步空間。

　　未來，我們將進一步提升該外骨骼裝置的性能，改進控制系統使得“抬腿”和“放腿”過程更符合人體生物學規律，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型60超聲電機作為驅動源進一步增大輔助力矩。

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

　　功率放大器可以將較小的控制信號放大，從而為超聲電機提供足夠的驅動功率。在超聲電機驅動系統中，功率放大器將控制信號放大后，通過信號發生器產生高頻正弦信號，然后提供給電機作為驅動電源。

　　此外，功率放大器還可以對超聲電機的輸出力矩進行調節和控制。通過調節功率放大器的增益，可以改變超聲電機的輸出力矩，從而實現精確的運動控制。

　　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、生產和銷售的高科技企業，為用戶提供具有競爭力的測試方案。Aigtek已經成為在業界擁有廣泛產品線，且具有相當規模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。如想了解更多功率放大器等產品，請持續關注安泰電子官網www.gairou.cn或撥打029-88865020。

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