威尼斯威尼斯电子国内实验成果分享：一种基于超声电机驱动的外骨骼步行辅助装置
根据国家统计局公布的数据，2022年我国60岁以上的老年人约为2.8亿人，占全国人口的19.8%。老年人中，因腿部疾病导致行走能力减弱或丧失的比例逐步提高。因此，为了提高老年人的生活质量，研制步行辅助装置（外骨骼装置）十分必要。而超声电机，作为一款新型作动器，具有低速大扭矩、快速响应、不受电磁干扰和无噪音等优势，在外骨骼领域有着诱人的应用前景。
作为国内专注于功率放大器研究的高科技企业，威尼斯功率放大器在超声电机领域也有着良好应用，今天威尼斯就为大家分享一篇来自于南京航空航天大学杨淋副教授、东京大学森田刚教授团队的最新研究成果：一种基于超声电机驱动的外骨骼步行辅助装置。
而超声电机，作为一款新型作动器，具有低速大扭矩、快速响应、不受电磁干扰和无噪音等优势，在外骨骼领域有着诱人的应用前景。因此，本研究提出了一种基于超声电机驱动的外骨骼步行辅助装置，用以辅助老年人步行。
一、试验方法
如上图的3D模型图和结构示意图所示，本研究所提出的装置主要由超声电机、弹性元件、柔索、滑轮和旋转部件组成。需要明确的是，伺服电机不提供任何扭矩，只是驱动旋转部件模拟人腿运动。
通过建模，得到了装置辅助力矩和减速比的数学模型，如下图所示。可以注意到，该数学模型中，除φ2外皆为常数，随着滑轮2位置的改变，转动角度φ2也在发生变化，那么减速比也将发生变化，进而导致辅助力矩并不稳定。
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为了解决这个问题，我们设计了一种变曲率的特殊滑轮，随着转动角度的变化，该滑轮的曲率半径也会随之变化，进而保证减速比和输出力矩的恒定，如下图所示。
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解决了输出力矩恒定的问题后，该装置的启动响应时间需要重点关注，也就是需要将柔索1的长度变化与超声电机的启动转速关联起来进行分析。
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以60电机和简单的线弹簧为例，如上图所示，可以得到弹性系数与响应时间之间的关系，可以发现，弹簧越硬，响应时间越短。为了缩短启动响应时间，应选择较硬的弹簧。对于该装置，我们的设计预期是，启动响应时间应低于100毫秒。接下来是实验验证与分析，原型机实物如下图所示。
下图为该外骨骼装置的测试平台，以进行数据采集。旋转部件抬起时，超声电机卷起柔索拉伸弹簧，使柔索处于恒定张力下，提供恒定的辅助力矩抬腿。旋转部件放下时，超声电机释放柔索，保持松弛直到恢复初始位置。该装置只提供一个方向的支持，即辅助抬腿，放下腿时则不提供辅助。
结果
这里提供了四款弹簧的测试结果，就量级和趋势而言，响应时间的实测结果与理论结果是一致的，弹性系数为3200N/m的弹簧的响应时间小于100毫秒，符合设计预期，因此选择弹簧4作为后续实验件。
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接下来将仅展示工作周期为1秒时的实验结果，腿部运动速度为52°/s，该外骨骼装置仅需86毫秒即可稳定输出1.6N·m的辅助力矩，可用于辅助频率为1Hz的正常步行。此时超声电机的转速为39rpm。
结论
本研究提出了一种基于超声电机驱动的外骨骼步行辅助装置，其具有以下的优点：
�。�1）采用了超声电机作为驱动源：低速大扭矩、结构紧凑、重量轻、快速响应、不受电磁干扰、无噪音等。
�。�2）采用了柔索传动方法：传统的齿轮传动，会存在摩擦损耗、轮齿隙、扭矩波动及噪音等问题；将柔索传动和滑轮进行配合以替代齿轮，不仅实现了扭矩放大，而且易于装配和拆卸。
�。�3）采用了串联弹性元件：抗冲击能力和储能能力强，系统控制更为精准稳定。
超声电机输出力矩小、功率低的特性，在一定程度上限制了其在外骨骼等需求较大力矩场景的应用。同时，如果充分考虑该外骨骼装置的便携性，则超声电机的移动电源问题仍需解决。该基于超声电机的外骨骼装置的研发仍有较大的进步空间。
未来，我们将进一步提升该外骨骼装置的性能，改进控制系统使得“抬腿”和“放腿”过程更符合人体生物学规律，而非目前固定的匀速过程。同时，我们将采用输出力矩更大的改进型60超声电机作为驱动源进一步增大辅助力矩。
作为一种电子测试仪器，功率放大器在超声电机驱动中扮演着重要的角色。超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得运动和力矩，将材料的微观形变通过机械共振和摩擦耦合转化为宏观运动。为了驱动超声电机，需要提供高频交流电作为驱动电源。
功率放大器可以将较小的控制信号放大，从而为超声电机提供足够的驱动功率。在超声电机驱动系统中，功率放大器将控制信号放大后，通过信号发生器产生高频正弦信号，然后提供给电机作为驱动电源。
此外，功率放大器还可以对超声电机的输出力矩进行调节和控制。通过调节功率放大器的增益，可以改变超声电机的输出力矩，从而实现精确的运动控制。
ATA-7050高压放大器
带宽：（-3dB）DC~5kHz
电压：10kVp-p（±5kVp）
电流：20mAp
功率：100Wp
压摆率：≥111V/μs
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