上肢外骨骼技术的新突破：基于前馈控制的主动重力补偿

近年来，外骨骼机器人正在成为推动人机融合的核心技术之一。无论是在医疗康复、人体辅助，还是在工业增能场景中，外骨骼都以精准的运动辅助能力，帮助用户提升力量、降低疲劳，并为行动受限人群带来更高的生活质量。

在众多方向中，上肢外骨骼因其复杂的肩肘关节结构和三维运动自由度，一直被认为是最具挑战性的研究领域。如何在保证控制精度的同时，使设备保持轻量和高佩戴舒适性，是研究者和工程师不断探索的重点。

今天，我们将带你一起走进德国鲁尔西部应用科技大学（Ruhr West University of Applied Sciences）的一篇研究论文：

[2309.04698] Advancements in Upper Body Exoskeleton: Implementing Active Gravity Compensation with a Feedforward Controller

1. 核心挑战：轻量化结构与精准运动控制之间的平衡

传统的外骨骼控制多采用基于反馈的控制策略，如使用 PID 控制器搭配外置扭矩或力传感器，通过实时误差反馈实现动作矫正。虽然有效，但问题也十分明显：

• 增加结构重量
• 提高系统复杂度
• 布线与供电要求变高
• 动态运动中可能出现延迟或抖动

为解决这些问题，论文团队提出了一套 基于前馈控制（Feedforward Control）的主动重力补偿系统。它最大的特点是完全依赖电机内部的位置传感器，不需要额外的外置传感器。控制系统通过解析动力学模型预测所需补偿力矩，提前生成控制指令，从而让外骨骼以最小硬件负担实现高精度的重力补偿。

2. 前馈控制的优势

与依赖“误差→反馈→修正”的传统方法不同，前馈控制具有先天优势：

• 响应更快：提前计算力矩，几乎无延迟
• 运动更平滑：无明显反馈振荡
• 系统更轻量：无需外置扭矩/力传感器
• 结构更简单，功耗更低

测试结果表明，该系统在几乎无摩擦条件下依旧能保持稳定姿态，并能在不同动作切换中保持高可靠性。对于康复和工业辅助应用，这意味着：用户肌肉负担显著减轻，动作安全性提高，机器人与人体之间更加自然、协调。

3. 高性能电机：外骨骼动力的核心

在可穿戴机器人中，电机性能决定了设备能否真正做到“轻量、高力矩和高响应”。本研究中，每侧手臂都搭载了 CubeMars 高功率密度无刷动力模组，具体包括：

AK60-6 模组电机AK60-6 V1.1 KV80 机器人动力模组丨执行器 - 峰值扭矩9Nm

• 24V 额定电压
• 峰值扭矩 9 N·m
• 重量仅 380 g
• 自带驱动，结构极简

该型号部署在每侧三个关节，用于肩部部分 DOF 与肘部关节，其轻量和高响应特性特别适合长时间佩戴的外骨骼设备。

AK80-9 高扭矩动力模组AK80-9 KV100 机器人动力模组丨执行器 - 额定扭矩9Nm，48V，485g

• 48V 额定电压
• 峰值扭矩 18 N·m

用于肩部主承重关节（Joint 2），承担上臂抬升与外展等重力最大的动作需求。

CubeMars 电机为何适合前馈控制 + 可穿戴机器人？

• 高扭矩密度，使外骨骼整体更轻
• 低摩擦、低噪声，力矩输出更线性
• 编码器精度高，使动力学预测更可靠
• 带驱动电机减少外部模块，关节更紧凑

与前馈控制相结合，CubeMars 电机可在极短时间内响应力矩需求，确保每个姿态都能做到“悬停不坠”。

4. 系统架构与工程实现

该外骨骼采用 4 自由度设计，能够在三维空间内模拟自然的肩肘运动轨迹。系统架构包括：

• 控制器：ATmega328P（Arduino Uno）
• 通信：CAN 总线
• 动力：TATTU 22.2V、222Wh 智能锂电池
• 总重量：约 8 kg（含电池）
• 结构材料：轻量碳纤维

整体设计强调 可穿戴性、轻量化与实用性，适合长时间辅助或康复训练。

5. 实验验证与未来应用前景

实验结果显示：

• 在多种姿态下，外骨骼能稳定保持位置无明显漂移
• 动态切换时响应迅速、无延迟
• 所有关节在前馈控制下实现真实意义的主动重力补偿

这些成果证明：

前馈控制 + CubeMars 动力模组是构建轻量可穿戴外骨骼的一种高效、可靠的方案。

未来应用方向包括：

• 上肢康复机器人
• 工业辅助外骨骼
• 协作机械臂
• 人体增强与辅助设备

随着可穿戴机器人加速走向实际应用场景，CubeMars 将继续通过高功率密度动力模组，支持更轻、更强、更自然的人机融合系统落地。