丽莎老师讲机器人之外骨骼机器人三大核心系统原理及其技术优劣势
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外骨骼机器人三大核心系统：传感系统、控制系统、驱动系统
传感系统收集运动相关的信号传递给控制系统，控制系统处理传递来的信号转化为运动的指令，再传递到驱动系统，最终由驱动系统带动外骨骼的行动。在此过程中，每个环节都存在着相应的技术难点，影响外骨骼机器人的形态、反应速度、随动能力、舒适程度等性能特征。
传感系统通过分布在外骨骼不同位置的传感器收集使用者的步态信息或运动意图，通过获取这些数据，以一定形式传送给控制系统。
从收集的信息类型来分，可分为物理量传感器和生物量传感器。物理量传感器可采集位置、角度、压力、扭矩等物理信息，从而判断使用者的步态周期，力反馈方法具有难以克服的滞后性，在进行一些动作时容易有阻碍感；生物量传感器可采集由人体中枢神经控制的肌电信号，相对物理量传感器数据有一定超前性，但由于关节力矩和肌电信号不能找到一个一一对应的关系，且传感器要贴在人体表面，容易脱落、异位，测量结果易受干扰。
控制系统是外骨骼机器人的中央枢纽，通过对传感系统反馈的数据进行分析并规划步态模式，对驱动系统实现闭环控制，其中涉及到传感器融合算法、控制算法等一系列软件模块。一般来说控制器集中位于背部，实施全局控制，包括系统主机、信号采集板、电机驱动板、电源管理等模块。但随着外骨骼自由度的增加、模型算法的复杂化，也可采用分布式控制，减轻中央控制系统的负担，提高系统响应速度。
驱动系统位于机器运行的末端，负责带动机械结构，执行控制系统传递来的具体任务。根据驱动形式的不同，主要分为三种驱动方式：电机驱动、气压驱动、液压驱动。三种方式各有优劣，其中以电机驱动在实际中应用较为广泛。
三种驱动方式的原理及应用前景
电机驱动在外骨骼机器人上使用电驱动方式一般有2种方案。一种方案是在旋转关节上直接安装盘式电动机，利用电动机转子的旋转带动关节旋转。
这种安装方式结构简单，易于维护拆卸。但是采用这种方案，将使得外骨骼机器人的旋转关节十分笨重，加之安装空间有限，往往会由于电机尺寸限制而达不到到理想的输出驱动力，因此这种方案大多用于实验室原理样机上用以开展相关实验研究。
另一种方案就是利用电动推杆驱动，在电动推杆两端用连接耳与外骨骼连接，将电动机的旋转运动转化为推杆的直线运动，推动转动关节转动。
电动推杆一般由电动机和丝杠组成，通常采用的是直流电动机，其原理是电动机的转动带动丝杠的螺母转动，然后螺母利用螺旋副的原理推动丝杠做直线运动，从而使丝杠带动外骨骼机器人的大腿、小腿、足部分别绕髋 关节、膝关节和踝关节做旋转运动，实现髋关节、膝关节和踝关节在矢状面内的屈伸运动。
日本筑波大学的HAL、美国公司的Roboknee、中科院研制的外骨骼机器人ExOP—l采用的都是电机驱动方式。
气压驱动方式与液压驱动方式的原理类似，以气体为介质，通过一系列控制阀的控制，最终使气体推动气缸的活塞做直线运动。通过将气缸分别连接在外骨骼机器人的大腿、小腿和足部连接耳，将气缸活塞的伸缩运动转化为各关节的转动以实现外骨骼机器人的行走功能。气压驱动方式在外骨骼机器人上应用较少，意大利研制的PAGO机器人、日本神奈川大学的 weamble Power Assist Suit采用的是气压驱动方式。
液压驱动是以流体（液压油）为工作介质进行能量传递的一种方式，包括液体介质、能源装置、控制调节装置、执行装置、辅助装置等5个部分。
其工作原理为 :液压泵吸油口从油箱中吸油，油液在液压泵中由于容腔容积的变化而被加压，再从排油口排出高压油，通过一系列压力控制阀、流量控制阀以及方向控制阀的控制，使油液以理想的状态到达液压缸（执行元件），推动液压缸的活塞做直线运动，最终转化成大腿、小腿、足部在矢状面内绕髋部、膝部和踝部的旋转运动。同等功率的设备，液压传动装置的体积更小，质量更轻，结构紧凑，即液压驱动方式的推重比较大。液压装置通过不同的组合可以实现不同的动作，而且由于液压油具有不可压缩性，其动态响应更快。
液压驱动技术已经应用在国外很多成熟的外骨骼机器人上，而国内由于外骨骼机器人的研究起步较晚，液压驱动技术应用得比较少。美国的BLEEx外骨骼机器人、洛克希德·马丁公司的全身外骨骼机器人HULC、美国雷神公司的XOS系列外骨骼机器人采用的是液压驱动。
三种驱动方式的技术优劣势
电机驱动采用电动机驱动方式的优点是电动机驱动的技术成熟、控制模式相对简单、响应快、控制精度易于保证、使用维护方便、信号检测和传递处理方便、驱动效率高、对环境污染小、成本较低。但是，从外骨骼机器人的应用角度出发，要求驱动系统的体积小 且质量轻，在外骨骼机器人负重的情况下，如果要实现较大的动力驱动，则选取的电动机尺寸也会偏大，不利于整体的轻量化，而且也会影响机构的灵活性。
气压驱动
采用气压驱动是一种较为成熟的驱动方式，其优点是：(1)气压驱动工作压力低、使用安全、加速很快，制造精度强度要求比液压元件低且维护简单。(2)气压传动的介质是取之不尽的空气，流动损失小，可集中供气，废气排放处理方便、无污染、成本低。(3)气压驱动方式与液压驱动原理类似，其控制方法可以参考更成熟的液压驱动。
其缺点是：(1)气动装置的信号反馈速度较慢。(2)空气具有可压缩的特点，导致气动执行元件的动作稳定性差，速度及位置控制不够精确。(3)压缩空气需要除水，泵驱动时噪声十分大，会造成噪声污染。(4)气压驱动方式的推力偏小，不易实现精确的中间位置调节，通常是在2个极限位置使用。总体来看，电驱动技术以及液压驱动技术由于 相对成熟，大多数外骨骼机器人都采用这2种驱动方式。对于用在康复等用途的外骨骼机器人，由于其负载作用力较小，大多采用的是电驱动方式；对于用在战场行军和抗震救灾等用途的外骨骼机器人，由于其负载较大，大多采用的是液压驱动方式。
液压驱动
采用液压驱动方式的优点是：(1)在输出同样大小功率时，液压传动方式的结构紧凑、体积小、质量轻。(2)液压传动方式工作比较平稳，易于实现系统整体的柔顺性。(3)液压油能润滑液压部件，使得液液压油的可压缩性和存在泄漏等因素，液压传动不能保证严格精确的传动比。
其缺点在于：(1)液压传动中，能量损失较多，使得系统效率低。(2)液压传动对油液温度的变化比较敏感（主要是黏性），系统的性能随温度的变化较大，不宜在温度较低或者较高的地方工作。(3)为减少泄漏，液压元件需要有较高的加工精度，使得加工成本较高。(4)液压传动一旦出现故障不易找出故障源。
外骨骼机器人是项复杂的综合性任务，硬件及算法上仍然未取得突破
上述三大系统互相作用，以实现整个机器人的协调运动，其中涉及传感技术、机械控制、人体力学等多学科知识，是一项复杂的综合性任务。现阶段，技术上仍存在许多难以突破的瓶颈，从而限制了产品的易用性，如复杂运动下响应速度不足、下肢机器人重心不稳、多自由度下协调控制困难等。具体来说，难点主要集中在控制系统内，包括：多传感器融合技术、意图识别、重心调节、关节自由度和建模复杂程度的平衡等，这些是软件层面的难点。此外，在驱动系统中，由于材料学科发展缓慢，电机的性能受到制约，进而限制了机器人的可应用场景，这是硬件层面的难点。
发展至今，外骨骼机器人在技术上不断进步，功能上不断迭代。无论是学术界还是外骨骼机器人公司，都在全力进行软件算法的研发
