核心挑战：轻量化结构与精准运动控制之间的平衡
前馈控制的优势
高性能机器人电机：外骨骼动力的核心: AK60-6 V1.1 KV80 机器人动力模组; AK80-9 KV100 高扭矩动力模组
系统架构与工程实现
实验验证与未来应用前景
FAQ: 这项上肢外骨骼技术的关键创新是什么？; 前馈控制与传统控制方法有何不同？; 该外骨骼系统使用哪些特定电机？; 这项技术的主要应用领域是什么？; 系统规格和性能结果如何？

外骨骼电机助力上肢技术取得突破

CubeMars / 2025-11-21 18:14:49

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：

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：

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。

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：

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。

在可穿戴机器人中，外骨骼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：

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。

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？

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”。

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：

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。

实验结果显示

这些成果证明：前馈控制 + CubeMars 外骨骼电机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

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机器人动力模组/执行器，支持更轻、更强、更自然的人机融合系统落地。

关键创新在于使用前馈控制的主动重力补偿，无需外部传感器。系统仅利用内部电机位置传感器来预测和抵消重力扭矩，显著降低了硬件复杂性和重量，同时提高了性能。

与传统依赖外部传感器和误差修正的反馈控制（如PID控制器）不同，前馈控制预先计算所需的补偿扭矩。这使得运动响应更加迅速，延迟最小，并且无需额外的外部传感器。

系统使用CubeMars高性能外骨骼电机，包括AK60-6 V1.1（9Nm峰值扭矩，315克重量）和AK80-9（18Nm峰值扭矩）型号。这些电机具有高扭矩密度、轻量化设计和内置驱动电路，专为外骨骼应用优化。

该技术非常适合上肢康复机器人、工业辅助外骨骼和协作机械臂。它能增强人体移动能力，减少肌肉努力，并提供更安全的操作和更自然的人机交互。

这款4自由度外骨骼重约8公斤，使用ATmega328P微控制器和CAN总线通信。测试显示系统能在广泛位置范围内保持稳定姿态，关节响应精确，动态运动平滑，无明显延迟或漂移。