表1 刚性驱动器配置比较

优化设计方面，Huber等提出了一种基于执行器的性能特征选择最适合给定任务的执行器类型的法。Van de Straete等提出驱动器的新设计方法，将设计分为可行性和优化阶段。为伺服驱动系器统提供了快速，自动化的设计程序，同时可以图表显示结果。Roos等就减速器传动比对驱动器性能影响、伺服电机和减速器集成优化、机械和控制整合设计进行了研究。Vaculik等研究了驱动器的设计流程，建立电机和减速器参数模型。

为了平衡电机和减速器参数，Zhou等开发了由MSC.ADAMS动力学模型和Matlab代码优化算法组成的协同仿真平台，该平台通过电机和减速器不同组合实现五轴机械臂的重量轻量化。Budinger等建立了基于模型的机电执行器初步设计的估算模型。Rezazadeh等研究了机器人系统中一般负载下驱动器电动机和传动装置的机电选择优化解决方案。Saerens等针对机器人最大连续输出扭矩和转动惯量，根据减速器级数、传动比和不同类型的尺寸参数，制定了比例定律。

由上述分析可知，刚性驱动器的整体设计方面已经较难有创新，更多研究集中在电机和减速器整体优化设计上。然而由于元器件工艺和原理上的限制，传统刚性驱动器的功率密度很难达到生物肌肉的水平500 W/kg，同时也解决不了机器人受外部冲击时零部件强度问题，继而弹性驱动器应运而生。

2.2 弹性驱动器

使用TSA的机器人在行走、奔跑、跳跃等运动能力上远远没有达到人类和动物的水平，而人类和动物实现这些运动能力是依靠肌肉系统实现的。动物利用刚柔并济的肌肉骨骼系统在运动过程中储存和释放能量，调节能量在时间和功率密度上的不匹配，提高关节瞬时爆发力，高效循环利用能量，同时能够实现落地缓冲。为此科研人员研究各种自适应的弹性驱动器来模拟肌肉系统功能，使关节表现出柔顺、安全和高能量效率特性。

弹性驱动器的原理主要借鉴Hill肌肉三元素力学模型。如图3所示，其中 CE （contractile element）是肌肉收缩单元，SE（serieselement）是串联弹性单元，PE（parallelelement）是并联弹性单元,组合后主要有PS（parallel-series）肌肉模型和SP（series-parallel）肌肉模型2种形式。根据 PS 和 SP 肌肉模型结构，由结构相似性可得到如图4e所示的并串式弹性驱动器 PSEA（parallel series elastic actuator）和串并式弹性驱动器SPEA（series parallel elastic actuator）2种仿生弹性驱动器结构。

符号A 表示一般驱动元件，即刚性驱动器，图4a-f[31]中表示由驱动元件A与 SE、PE 单元共同作用构成的弹性驱动器模型，ks和kp分别为 SE 和 PE单元的刚度。PSEA 和 SPEA同时具有 SE 和 PE 单元，因此称为多模态弹性驱动器MEA（multi-mode elastic actuator）。刚性驱动器、串联弹性驱动器、并联弹性驱动器PEA （parallel elastic actuator)和离合弹性驱动器CEA（clutched elastic actuator）均为基本模型，它们是MEA的特例形式。近年来研究成果及应用主要集中在串联弹性驱动器、并联弹性驱动器、离合式弹性驱动器和多模态弹性驱动器。

图3 Hill肌肉力模型

2.2.1 串联弹性驱动器

串联驱动器是在驱动元件和负载间增加弹性单元，这样可以缓冲外部冲击和储能。

图4 弹性驱动器类型

麻省理工学院的Pratt等最早提出了SEA的概念，并证明了SEA具有抗冲击性，较低的反射惯性，更精确和稳定的力控制性能，减少对环境的破坏和能量存储，继而开展了SEA的闭环力控和在腿足机器人上应用研究。

经过几十年的发展，SEA近些年的研究主要集中在变刚度设计、控制和应用上。Vanderborght等研究了机械可调节的柔度和可控制的平衡位置驱动器，其柔度和平衡位置可以完全独立地控制，并且两者均由专用伺服电机设定。Sariyildiz等研究了新型SEA的运动控制问题（即位置和力控制问题），提出了一种基于加速度的鲁棒控制器。

通过串联软弹簧和硬弹簧实现可变刚度的SEA，以便减少常规SEA的基本性能限制。Haddadin等通过优化控制，实现最大化变刚度弹性驱动器的输出速度，由于弹性驱动器储能作用，其最大输出速度，超过理论电机输出能力。为解决救灾机器人跌落和与环境的碰撞问题，意大利技术研究院设计了新型的弹性驱动器，该驱动器应用于WALK-MAN机器人手臂，实验验证了负载能力和抗冲击能力。如图5所示，在谐波减速器输出端和驱动器输出间设置了弹性零件扭力杆。

图5 弹性驱动器

由上述分析可知，SEA具有缓冲机器人触地冲击和缓解外部碰撞冲击的作用，同时还可以储存能量，但由于弹性元件引入，系统变为欠驱动系统，因此运动控制精度较低。

2.2.2 并联弹性驱动器