国宁 佀
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
琬婷 黄
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
根生 李
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
飞 徐
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
梦秋 褚
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
婧芳 刘
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
上海理工大学 医疗器械与食品学院（上海 200093）,
School of Medical Instrument and Food Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China
北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院（北京 100124）,
College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124, P.R.China
佀国宁，Email：
nc.ude.tssu@isng
传统的下肢外骨骼机器人多采用刚性机构，以实现精确和快速的位置控制，具有良好的轨迹重复性，但刚性机构不能处理外部冲击，无法适应不可预测的环境，并且会消耗大量能量，不利于良好的人机交互。驱动柔顺是指通过采用弹性驱动器、液压驱动器和气压驱动器来实现驱动上的柔顺，而关节柔顺则是采用在关节处增加弹性元件，利用自身的弹性变形完成构件间的能量传递，达到关节柔顺的目的。柔性机构具有能够最大限度地减少冲击引起的反作用力，并在被动式弹性元件中储存和释放能量的优点，因此国内外学者对柔顺特性在下肢外骨骼机器人中的应用进行了研究，本文将从驱动柔顺和关节柔顺两个方面对下肢外骨骼机器人柔顺特性的研究现状进行综述，并结合国内外需求展望其未来发展方向。
1. 下肢外骨骼机器人
下肢外骨骼机器人是一种通过髋关节、膝关节或踝关节给予下肢支撑的可穿戴设备，旨在运动过程中提高使用者的运动能力。根据其应用领域的不同，可分为增强型、辅助型和康复型下肢外骨骼机器人。
增强型外骨骼机器人旨在增强人体运动的特性，如力量、耐力及速度。典型的如：Kim 等
[
2
]
设计的液压式下肢外骨骼机器人（hydraulic lower extremity exoskeleton robot, HLEER）和西北工业大学王海莲等
[
3
]
设计的下肢外骨骼机器人等，就是为了提高军事运动时士兵的负重能力而设计制造的；而 Pratt 等
[
4
]
设计的膝关节机器人（robot knee, Roboknee）和 Ouyang 等
[
5
]
设计的含新型紧凑型液压驱动单元（compact hydraulic power unit, CHPU）的外骨骼机器人则用于提高步行时的力量、耐力及攀爬能力。
辅助型外骨骼机器人的目标是补偿因伤害、创伤或虚弱造成的运动能力丧失，它为受损关节提供人工支撑的同时与其他部位共同辅助患者运动。典型的如：Hussain 等
[
6
]
设计的含气动肌肉驱动器的下肢外骨骼（lower limb exoskeleton by pneumatic muscle actuators, LLE-PMA）、Ekso 公司设计的可穿戴外骨骼机器人（Ekso, Ekso bionics holdings Inc., 美国）
[
7
-
8
]
、Wang 等
[
9
]
设计的辅助步行外骨骼机器人（MindWalker exoskeleton, MindWalker）、Chen 等
[
10
-
11
]
设计的香港中文大学外骨骼机器人（Chinese university of Hong Kong exoskeleton, CUHK-EXO）和哈尔滨工业大学谢峥等
[
12
]
设计的行走辅助外骨骼机器人等，均可为穿戴者提供辅助以补偿人体运动机能的不足。
康复型外骨骼机器人侧重于恢复运动功能和改善脊髓损伤、脑卒中、足下垂患者的步态模式，它有助于提供恢复正常步态所需的治疗。典型的如：Meuleman 等
[
13
]
设计的下肢动力外骨骼机器人（lower extremity powered exoskeleton Ⅱ, LOPES Ⅱ）、Bayon 等
[
14
]
设计的脑瘫患者步行康复机器人（cerebral palsy walker, CPWalker）、Feng 等
[
15
]
设计的下肢康复机器人（lower limb rehabilitation robot, LLR-Ro）、Torrealba 等
[
16
]
设计的含双向对抗式浮动弹簧驱动器（bidirectional antagonistic floating spring actuator, BAFSA）的步态康复外骨骼机器人、Zhang 等
[
17
]
设计的柔性踝关节康复机器人（compliant ankle rehabilitation robot, CARR）和朱文超等
[
18
]
设计的下肢压差式气动减重康复训练系统等，均可以通过独立地控制用户的关节轨迹或扭矩来实现康复治疗。
2. 驱动柔顺
现有典型的下肢外骨骼机器人，如 Bortole 等
[
19
]
设计的步态康复外骨骼机器人（H2, Technaid S.L., 西班牙）、Wu 等
[
20
]
设计的下肢康复机器人（lower limb rehabilitation robot, LLRR）、CUHK-EXO
[
10
-
11
]
和 Long 等
[
21
]
设计的下肢辅助型外骨骼机器人等，均采用传统的电机驱动器，虽然容易控制，但会产生无法适应患者反应或阻力的刚性运动。可调节刚度的柔顺驱动器能够确保人机交互安全性和舒适性，而成为当前研究的热点之一。
根据柔顺驱动方式的不同，下肢外骨骼机器人的驱动可分为弹性驱动、液压驱动和气压驱动。依据应用领域的不同，又可分为增强型、辅助型及康复型下肢外骨骼机器人。
2.1. 弹性驱动
弹性驱动机构具有仿生特性，它在传统的驱动机构和负载之间引入弹性元件，有输出阻抗低、抗冲击能力强、控制精度高、稳定性高及储能强等特点。目前国内外对柔顺下肢机器人的弹性驱动进行了大量的研究，其中比较典型的有 Roboknee
[
4
]
、Karavas 等
[
22
]
设计的含变刚度柔性驱动器（compliant actuators reconfigurable stiffness, CompAct-RS）的膝关节辅助外骨骼机器人、Hyun 等
[
23
]
设计的人类通用移动性辅助（human universal mobility assistance, HUMA）电动下肢外骨骼机器人、Kardan 等
[
24
]
设计的马什哈德菲尔多西大学膝关节外骨骼机器人（Ferdowsi university of Mashhad knee exoskeleton, FUM-KneeExo）以及 BAFSA
[
16
]
等。
2.1.1. 弹性—增强型
弹性增强型下肢外骨骼机器人由串联弹性驱动器驱动，可帮助患者增强人体运动特性。
Pratt 等
[
4
]
提出的 Roboknee 是一种单自由度的膝关节外骨骼机器人，它使用线性串联弹性驱动器实现低阻抗，以达到步态运动的柔顺性，同时通过膝关节角度和地面反作用力确定用户意图，用于提高步行时的力量和耐力。但其体积较大且电池寿命较短，不利于用户的使用、便携。
意大利技术学院的 Karavas 等
[
22
]
设计的膝关节外骨骼机器人由柔性驱动器 CompAct-RS 驱动，该驱动器包含弹性模块和电机模块，通过对弹性模块中的两个压缩弹簧进行预压缩，以提高穿戴者运动时膝关节的抗冲击能力。
2.1.2. 弹性—辅助型
弹性辅助型下肢外骨骼机器人利用弹性驱动器结构为行动障碍的老年人或有步态障碍的患者补偿其弱化的机体功能。
南京工程学院的韩亚丽等
[
25
]
开发的膝关节外骨骼机械腿，提出了一种由电机串联弹簧，并组合刹车模块的多模式弹性驱动器，利用弹性元件达到减振、储能和释能目的，实现了膝关节外骨骼机械腿的刚性驱动与柔性驱动相结合，但在弹性驱动器的轻量化、膝关节外骨骼对穿戴者运动的快速跟随性及有效助力等方面，仍需进一步改进。
韩国现代汽车公司研发的 HUMA 下肢外骨骼机器人
[
23
]
，具有 12 个自由度，其中包括髋关节和膝关节的 2 个自由度，以及踝关节安装被动弹簧的 2 个自由度。该机器人能够支持自身体重及额外的有效载荷，为穿戴者提供负重辅助以增强人体力量、耐力。
马什哈德菲尔多西大学的 Kardan 等
[
24
]
提出的 FUM-KneeExo 机器人，它由串联弹性驱动器（linear series elastic actuator, FUM-LSEA）驱动，通过连接机器人的大腿和小腿以产生膝关节的辅助扭矩，在滚珠丝杠机构的螺旋轴上放置两个弹簧以提供驱动器所需的柔顺性。
2.1.3. 弹性—康复型
基于弹性驱动器的康复型下肢外骨骼机器人，能够为下肢运动能力损伤的患者提供有效的康复训练，重新获得腿部力量和运动能力。
新加坡国立大学的 Yu 等
[
26
]
在研究膝关节踝足机器人时，开发了一种新型紧凑串联弹性驱动器，它将一个低刚度弹簧和一个高刚度扭簧串联组合，其中弹簧和扭簧在力较小与较大时分别压缩和扭转，可实现有效的反向驱动力、较大的输出力范围以及较小的输出阻抗，为患者提供有效的辅助力。
马德里理工大学的 Cestari 等
[
27
]
提出了含有可调节刚度模块和嵌入式传感器的驱动器（actuator with adjustable-rigidity and embedded sensor, ARES），它体积小、重量轻且能减少运动干扰以促进关节的控制。该驱动器在利用弹性元件提供关节所需扭矩的同时，采用不同控制策略实现刚度调节以达到步态运动中的柔顺性。
西蒙玻利瓦尔大学的 Torrealba 等
[
16
]
设计的 BAFSA，用于便携式人体步态康复外骨骼膝关节的驱动，该驱动器由一个轴向的浮动弹簧组成，以对抗性的方式双向驱动，基于步态训练疗法的方式，可恢复受损膝关节的正常功能。
2.2. 液压驱动
除弹性驱动器外，液压动力系统也被大量应用于下肢外骨骼机器人中以提高其柔顺特性。液压驱动虽然精度相对较低且非线性特性较高，但具有良好的功率重量比，即在重量较轻且尺寸较小的情况下能够提供较大的驱动力，因此采用液压驱动器可以降低机器人腿部的阻抗，并提高其驱动力，为穿戴者提供相对稳定的步态运动。
2.2.1. 液压—增强型
液压增强型下肢外骨骼机器人通过液压驱动将油压泵产生的压力转变为机械能以提供动力，可增强军事用途中穿戴者的耐力和力量。
Kim 等
[
2
]
开发的 HLEER，采用液压驱动器实现了机器人腿的高驱动力和低阻抗，可用于增强士兵的长时间行走能力。该设备由主动模式和被动模式的双模式控制，实现了摆动运动中的快速移动，并能提高站立阶段的负载，未来将加入算法实现楼梯和斜坡行走等功能。
山东理工大学的赵彦峻等
[
28
]
设计了一款适用于单兵穿戴的下肢外骨骼机器人，该机器人具有 12 个自由度，通过液压驱动系统实现其运动过程中的柔顺性，可提高士兵的承载能力，降低了运动过程中的能量损耗。
浙江大学的 Ouyang 等
[
5
]
研究了一种用于下肢外骨骼机器人的新型紧凑型液压驱动装置 CHPU，其使用的弹簧储罐有助于高速泵正常工作并能减小现有储罐尺寸。该机器人具有 4 个液压驱动器用于驱动髋关节和膝关节的运动，可提高穿戴者的力量和耐力。
浙江大学的 Chen 等
[
29
]
研究的 3 个自由度下肢外骨骼机器人，是通过液压驱动器驱动髋关节和膝关节的运动。与其他现有方法相比，该机器人考虑到液压缸的特性，采用运动跟踪控制器代替低级别驱动控制器中的力跟踪，能够提高液压驱动器输出力跟踪的准确性，以增强穿戴者的人体运动能力。
2.2.2. 液压—辅助型
由液压驱动器组成的辅助型下肢外骨骼机器人，通过液压系统中的油泵提供驱动力，为人体功能缺陷或不足的患者提供有效的运动辅助，并降低发生继发性损伤的风险。
加州大学的 Strausser 等
[
30
]
研发了一种医用外骨骼机器人（medical exoskeleton, MD-exos）。该机器人采用移动式电池供电，其髋关节和膝关节通过液压驱动可带动患者的关节在矢状面上移动。该装置初步患者测试显示，能够改善不完全截瘫患者的步态和完全截瘫患者的行走能力。但由于向后移动而使大腿下降到一定角度以下时，需增加控制策略以防止该机器人脚趾撞到地面而导致绊倒。
西南交通大学的何键等
[
31
]
研究的助力外骨骼机器人，采用阀控液压系统，能够在负载 60 kg 的情况下完成下肢运动动作，并且具有较好的人机交互性。该装置的局限在于，在助力外骨骼系统中，电池作为动力源，必须降低系统能耗，但该助力外骨骼机器人的节流调速系统能耗过高。
浙江大学的靳兴来等
[
32
]
设计的下肢助力外骨骼膝关节，将线性驱动器液压缸的两端分别安装在大腿和小腿部分。常见的下肢助力外骨骼系统在设计时通常只考虑髋关节及膝关节的主动自由度，而该外骨骼只有髋关节和膝关节在矢状面内的自由度由液压缸驱动，其自由度为被动自由度，可有效降低整个系统的质量和能耗，提高其助力性能。
2.2.3. 液压—康复型
液压康复型下肢外骨骼机器人，采用液压驱动器，具有良好的柔顺特性，有利于提高患者的康复治疗效果。
北京航空航天大学的唐志勇等
[
33
]
设计了一款由液压驱动的外骨骼康复机器人。该机器人采用悬吊减重装置，每个下肢具有 2 个自由度，患者可根据不同身高、体重进行大腿长度调节。通过预编程控制髋关节和膝关节在矢状面的运动，可有利于帮助患者实现运动康复。
东北大学的 Lu 等
[
34
]
设计了一款基于液压驱动的下肢外骨骼机器人，单腿共有三个液压缸驱动髋关节、膝关节和踝关节运动，采用微油泵控制液缸以实现高精度的运动，有助于实现人体下肢加速、减速和摆动运动，该机器人同时具有重量轻、精度高等优点。
2.3. 气压驱动
与液压驱动器相比，气动驱动器通过将气源产生的空气进行压缩来提供动力，在结构设计方面具有优越性且易于操作，可以提供内在柔顺性，在下肢外骨骼机器人领域具有巨大的潜力，有助于为穿戴者提供高效率、低成本、低能耗的运动训练。
2.3.1. 气压—增强型
气压增强型下肢外骨骼机器人是一种并联于使用者身体外侧的助力设备，通过增强穿戴者的肢体力量或直接承担外负荷，提高其运动能力，从而有效地降低人体能量消耗。
神奈川工科大学的 Yamamoto 等
[
35
]
提出了增强型辅助护士服（power assisting suit nurse, PAS-NURSE），该机器人在手臂、腰部和腿部具有气动旋转驱动器，其中膝关节处的阀门控制输出空气流量，以产生扭矩实现膝关节伸展，该供气系统弥补了腿部单元的供气不足，可为穿戴者提供长时间的运动能力。
浙江大学的李超
[
36
]
设计的外骨骼助力系统将之前研究的上肢外骨骼系统扩展到全身外骨骼系统，其共有 28 个自由度，采用气动肌肉对关节运动进行直接驱动，去除套管并减短钢丝绳的长度，该系统能够增强穿戴者的负重能力以及在复杂地形上的行走能力。但该系统腰部间距不可调整，因此需要考虑采用分体式可调整的结构，改善穿戴的舒适性。
2.3.2. 气压—辅助型
基于气压驱动器驱动的辅助型下肢外骨骼机器人，通过给穿戴者提供额外的辅助力矩，以弥补其丧失的部分运动能力，实现辅助行走功能。
奥克兰大学的 Hussain 等
[
6
]
发明的带有气动肌肉驱动器的 LLE-PMA 是一种用于神经功能障碍患者的下肢外骨骼机器人，其髋关节和膝关节由矢状面上的气动肌肉驱动器驱动，能够为跑步机上的训练提供足够的扭矩，但该机器人无法获取患者的运动输出和由于伸展引起的肌肉的反射响应等参数。
关西学院大学的 Hashimoto 等
[
37
]
开发了一款结构紧凑、重量轻、成本低的步态辅助装置，该装置通过气动人工肌肉协助穿戴者自身的大腿肌肉运动，可改善髋关节和膝关节的稳定性，为患者增强受伤或虚弱的关节和肌肉力量，但该装置在步行周期期间无法测量肌肉的肌肉电位。
2.3.3. 气压—康复型
气压驱动器驱动的下肢外骨骼机器人，基于其气体的可压缩性特点，相比于其他驱动形式，具有更高的安全性和舒适性。
南京理工大学的滕燕等
[
38
]
研发的多模式柔顺膝关节康复器，提出了无杆气缸和气动柔性驱动器的复合驱动技术，可满足膝关节多种训练模式的要求，解决了单纯使用麦吉本（Mckibben）型气动肌肉的康复器训练行程小的问题。
韩国科学技术院的 Hong 等
[
39
]
设计的支撑体重下肢行走辅助设备（SoftGait），由座椅及后备箱、两个双作用气缸和鞋三部分组成。该机器人具有蹲坐、站立和行走三种模式，通过使用气动驱动器、定制的力传感器和开发的相位检测器，及其强大的体重支撑和近零阻抗运动，可为穿戴者提供训练的柔顺性及舒适性。
东南大学的 Wan 等
[
40
]
研究的由气动人工肌肉驱动的人形下肢外骨骼机器人（humanoid lower limb exoskeleton, HLLE），它具有 6 个自由度，其中髋关节 3 个自由度，膝关节 1 个自由度以及踝关节 2 个自由度。该机器人通过基于脉宽调制的模糊自整定比例−积分−微分控制（fuzzy self-tuning proportion integral derivative, FSPID）控制其运动，可跟踪患者运动轨迹，以实现智能康复运动。
芝浦工业大学的 Quy_Thinh 等
[
41
]
研究的 2 个自由度下肢步态矫形器（airgait robotic orthosis, AIRGAIT），采用一对气动人工肌肉以对抗形式驱动髋关节和膝关节运动，通过前馈反馈控制策略，克服了气动人工肌肉较高的非线性特性，以达到安全有效的康复训练。但是，该矫形器需考虑髋关节和膝关节驱动器之间的相互作用，以进一步改善跟踪性能。
表 1
Compliant drive of lower extremity exoskeleton robot classification
下肢外骨骼机器人柔顺驱动分类
|
驱动方式
|
下肢外骨骼
|
研究机构
|
功能
|
作用部位
|
下肢自由度（单侧）
|
|
弹性驱动
|
Roboknee
[
4
]
|
人类与机器认知研究所
|
增强型
|
膝关节
|
1
|
|
CompAct-RS
[
22
]
|
意大利技术学院
|
增强型
|
膝关节
|
1
|
|
膝关节外骨骼机械腿
[
25
]
|
南京工程学院
|
辅助型
|
膝关节
|
1
|
|
HUMA
[
23
]
|
韩国现代汽车公司
|
辅助型
|
髋关节、膝关节、踝关节
|
6
|
|
FUM-kneeExo
[
24
]
|
马什哈德菲尔多西大学
|
辅助型
|
膝关节
|
1
|
|
膝关节踝足机器人
[
26
]
|
新加坡国立大学
|
康复型
|
膝关节、踝关节
|
2
|
|
ARES
[
27
]
|
马德里理工大学
|
康复型
|
膝关节
|
1
|
|
BAFSA
[
16
]
|
西蒙玻利瓦尔大学
|
康复型
|
膝关节
|
1
|
|
液压驱动
|
HLEER
[
2
]
|
韩国国防发展局
|
增强型
|
髋关节、膝关节
|
6
|
|
军用下肢外骨骼机器人
[
28
]
|
山东理工大学
|
增强型
|
髋关节、膝关节、踝关节
|
6
|
|
CHPU
[
5
]
|
浙江大学
|
增强型
|
髋关节、膝关节
|
2
|
|
下肢助力外骨骼机器人
[
29
]
|
浙江大学
|
增强型
|
髋关节、膝关节
|
3
|
|
MD-exos
[
30
]
|
加州大学
|
辅助型
|
髋关节、膝关节
|
4
|
|
负重型下肢外骨骼
[
31
]
|
西南交通大学
|
辅助型
|
膝关节、髋关节
|
3
|
|
下肢助力外骨骼膝关节
[
32
]
|
浙江大学
|
辅助型
|
膝关节
|
7
|
|
下肢液压驱动康复机器人
[
33
]
|
北京航空航天大学
|
康复型
|
髋关节、膝关节
|
2
|
|
下肢外骨骼机器人
[
34
]
|
东北大学
|
康复型
|
髋关节、膝关节、踝关节
|
7
|
|
气压驱动
|
PAS-NURSE
[
35
]
|
神奈川工科大学
|
增强型
|
髋关节、膝关节
|
2
|
|
下肢外骨骼助力系统
[
36
]
|
浙江大学
|
增强型
|
髋关节、膝关节
|
5
|
|
LLE-PMA
[
6
]
|
奥克兰大学
|
辅助型
|
髋关节、膝关节
|
6
|
|
步态辅助装置
[
37
]
|
关西学院大学
|
辅助型
|
膝关节
|
1
|
|
多模式柔顺膝关节康复器
[
38
]
|
南京理工大学
|
康复型
|
膝关节
|
1
|
|
SoftGait
[
39
]
|
韩国科学技术院
|
康复型
|
髋关节、膝关节、踝关节
|
3
|
|
HLLE
[
40
]
|
东南大学
|
康复型
|
髋关节、膝关节、踝关节
|
6
|
|
AIRGAIT
[
41
]
|
芝浦工业大学
|
康复型
|
髋关节、膝关节
|
2
|
3. 关节柔顺
柔性驱动器从动力源上实现了低输出阻抗、高控制精度以及良好的环境适应性等特点，关节柔顺则从结构设计上减少零件数目，简化制造过程以降低成本及提高性能。传统的刚性外骨骼关节在运动过程中容易对人体造成损伤，而该类下肢外骨骼机器人通过柔性连接，可减小人体关节和机械关节之间的运动学差异。
印度理工学院的 Sarkar 等
[
42
]
提出了一种 8 个自由度的双足外骨骼机器人，该机器人使用伪刚体模型建模，将具有弯曲挠度的柔性连接应用于膝关节和踝关节，其采用销接头和接头处的扭簧连接两个刚性部分，提高了步态的连续性及稳定性。
华中科技大学的 Wang 等
[
43
]
设计的被动式步态配重下肢外骨骼机器人，它包括一个柔顺性膝关节，其外环和内环分别连接上连杆和下连杆，在运动过程中通过内外环之间接触变形以适应由于人体和机器人运动学差异引起的旋转中心偏差，缓解了膝关节压缩负荷，可为人体行走提供缓冲。同时，该机器人因为不需要外部驱动器及电池，具有更加轻便的特性。
4. 总结与展望
传统的下肢外骨骼机器人为了保证高速和高精度的性能，结构设计多为刚性机构且驱动方式采用电机驱动，在传力过程中存在缓冲较差的缺点，无法适应人机共存环境的不可预测性，并且会消耗大量能量，不适合稳定、安全的人机交互。现阶段已有不同类型的柔性下肢外骨骼机器人相继研究与开发，通过采用弹性驱动器、液压驱动器和气压驱动器来实现驱动上的柔顺。理想的柔性驱动系统具有力跟随性能好、输出阻抗低、能够减小外界冲击及电机能耗和提高驱动力等特征。除了实现驱动的柔顺，还可以在关节处增加弹性元件实现关节柔顺。柔顺关节利用自身的弹性变形完成构件间的能量传递，由于其刚度较小，可有效地实现机构的非线性大变形，达到结构柔顺的目的，以减少机器人对人体的刚性冲击。
因此，未来的下肢外骨骼机器人或将有以下发展趋势：
第一，由于传统刚度的驱动器设计无法满足下肢外骨骼机器人的需求，因此可通过改进机器人中的驱动系统，采用新型柔性驱动器代替传统刚度驱动器。
第二，进一步改良下肢外骨骼机器人的关节柔顺设计。通过对下肢外骨骼机器人关节进行结构优化，采用柔顺机构，可减少零件数目、简化制造过程及降低磨损。同时减小变刚度机构的体积，以适应下肢外骨骼机器人关节集成化、小型化、柔顺化和模块化的特点。
第三，模仿人体肌肉肌腱的驱动方式，可在下肢外骨骼机器人中加入绳索驱动仿生关节，用柔索代替刚体连杆，使机器人具有结构简单、惯性小、高柔顺性和响应速度快等优点。采用绳索驱动能够有效提高机器人关节运动过程中的仿生特性。
第四，气动人工肌肉因其结构简单、重量轻、高柔性，被应用于下肢外骨骼机器人中。但因结构特点导致其运动过程中产生迟滞和蠕变等非线性现象，精确控制具有极大的困难。未来采用新型材料代替传统橡胶管，同时将阀和传感器嵌入气动人工肌肉中，可克服传统气动人工肌肉收缩率低、力量小及寿命短等缺陷并提高其控制性能。
第五，开发含有阻尼元件的柔顺驱动系统。由于人体骨骼肌肉在提供动力的同时具有一定的粘性阻尼性，为更好模仿人体运动，未来的柔顺驱动系统中还应引入阻尼元件，并能够分别控制刚度与阻尼变化。
目前，具有柔顺特性的下肢外骨骼机器人已在抗冲击能力、控制精度及稳定性等多方面均体现出明显的优势，其在贴合性、安全性以及舒适性方面得到了较大的改善，未来可加入柔顺性的控制策略，在实现高性能的同时，将对用户的意外伤害风险限制在一个最小的给定阈值内。国内外针对下肢外骨骼柔顺特性已展开大量研究，然而大部分研究成果都是围绕着驱动柔顺开展的，对于关节柔顺的研究相对较少，柔顺机构在下肢外骨骼机器人中的应用还需要进一步深入的研究。另外除驱动、结构外，还可通过引入新型柔性材料以达到柔顺的目的。综上所述，下肢外骨骼机器人柔顺特性的研究，对其人机交互安全性、对位置复杂环境的适应性以及提高能源利用率等方面具有重要意义。
Funding Statement
国家自然科学基金资助项目（51475015）
References
1.
Chen Bing, Ma Hao, Qin Laiyin, et al Recent developments and challenges of lower extremity exoskeletons.
Journal of Orthopaedic Translation.
2016;
5
:26–37. doi: 10.1016/j.jot.2015.09.007.
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PMC free article
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PubMed
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CrossRef
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Google Scholar
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