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美国加州大学柏克莱分校的下肢外骨骼 机械设计（ 伯克利负重器） H. 械工程系 加州大学，伯克利，加拿大， 94720，美国 第一个能够积极自主的降低压迫 ,可以携带有效载荷的 外骨骼 已经在美国伯克利大学得到了论证 。 本文总结了关于伯克利下肢外骨骼（ 伯克利 负重器 ）的机械设计。 以模拟人体为基础的 伯克利负重器的每条腿有 7个自由度，其中有四个自由度是靠 线性的液动执行机构为其提供动力。 该文章对自由度的选择以及运动范围进行了描述， 此外对 伯克利负重器的一些具有重大意义的重要结构的设计也包含在内。 关键词 伯克利负重器，外骨骼，可穿戴机器人，机械设计，腿运动。 1. 论文简介 运送重型物体通常使用轮式 车辆。然而许多环境如岩石地形和楼梯，便对轮式车辆构成了具有重大意义的挑战。 因此 步行 运动成为一个有吸引力 的 一种交通方式 ,在这些情况下 ,因为腿适应各种各样 的极端的地形。伯克利下肢外骨骼（通常称为 伯克利负重器 ）是第一个战场操作机器人系统，其操作者在穿戴之后，伯克利负重器 可以为其使用者提供在任何类型的地形条件下他 /她都可以以最小的努力背负大的负重。 伯克利负重器 是由两个供电的拟人化的腿，一个电源和一个背包式的框架所组成， 各种各样的沉重的载荷都可以安装在上面 (如图 1)。 . 伯克利负重器 通过人际互动而引导的足运动提供承载能力，代替了驾驶车辆， 伯克利负重器 能够柔顺而自然的契合操作者的运动，他 /她 “ 穿 “ 上 伯克利负重器 就像拥有了一对人工双腿。通过结合机器人的承载能力与人类 的智慧和应变能力， 伯克利负重器 允许承载较重的负荷通过复杂的，非结构化和不确定性的地形。 外骨骼系统通常认为包括 上肢 ,下肢 ,或两者兼而有之 ; 而 伯克利负重器 项目完全着眼于下肢外骨骼。 上肢外骨骼一般用于操纵重物，通常在仓库，生产设施和配送中心中使用（如 1 -4）。 下肢外骨骼通常在携带重物长距离 （ 通常是在户外 )） 运动和不能通行轮式车辆的路况条件下使用 。 伯克利负重器 有很多应用，它可以提供给战士，救灾人员，消防队员，以及其他紧急救援人员能够运载重要负载的能力，如运载食品，救援设备，急救用品，通讯 装备和武器，而不需要具备苛刻的劳动力。 这是我们的愿景， 伯克利负重器 会为关键任务设备提供一个多功能运输平台。 2. 背景 第一个活动外骨骼出现在 60年代末和 70年代初的通用电气公司（ 在贝尔格莱德的 通用电气公司 5哈迪曼项目都是非常大的全身外骨骼系统，重达 680公斤使用主从式系统进行控制。安全考虑和复杂性问题使它无法正常行走，甚至无法稳定地移动它的腿。贝尔格莱德外骨骼是一个 和人 一样 大小的 下肢机器人 ，旨在帮助恢复 截瘫 6。类似哈迪曼项目，它 从来就不可能带着它自己 的能源 ， 贝尔格莱德骨骼只能遵循已编程序进行步行运动，从而大大限制了它的效用。然而，这个项目确实产生零力矩点控制概念，而该概念目前仍然在人形机器人方面使用。 继 1970 年的尝试之后，相对较少的人还在继续研究下肢外骨骼。 1993 年的时候在 美国加州大学伯克利分校 有一个项目叫电力扩充器 1。 这个类似于哈迪曼的计划是使用电动驱动的全身外骨骼来增强人类的能力。伯克利项目采用力传感器来检 测和描 述人的空间方位信息，但在行走方面仍然只取得了非常有限的成功。 21世纪以来，在下肢外骨骼研究方面又重新得到了关注。在日 本，神奈川技术研究所开发出一种全身 “ 可穿戴动力套装 ” ，以独特的气动执行器驱动 7。在他们的三个执行机构（膝，腰，肘）都是通过测量人体肌肉相应的硬度来进 行控制的。有限的驱动和便携式电源供应不足这一制约限制了这款外骨骼的应用。 在日本筑波大学开发的轻量级动力辅助装置，哈尔 8。 哈尔使用肌电图传感器来测量人的腿部肌肉和地面反作用力，然后根据肌电图信号来控制其在膝盖和臀部的电动执行机构。这种外骨骼有一个随身电源，但只能用来协助穿戴者的腿部肌肉，它不能进行外部负载。 现在 仍在开发不少其他旨在用来帮助 残疾人的下肢外骨骼 (9,11)。除了外骨骼 ,其他的一些有效的下肢 设备也是值得一提。 一个现代康复设备就是一个下肢运动教练， 12和 13）。机器人的躯干是安装在人体上，使其穿戴者能够在预定的路径上行走，而不是用来携带负载的。虽然不是外骨骼，但是一个成功的产品所都要面临类似于 在加强穿戴者在行走过程中的的力量和耐力 14。 外，在日本的 北海道大学研究人员正在为 背部 设计一个 电力辅助装置 。在大腿和躯干连接出处，该装置采用肌电传感器来控制它的电动马达。各种各样的有效地矫形器也正在开发之中，如自带动力的气动式肌肉踝关节矫正 16。 伯克利下肢外骨骼（ 伯克利负重器 ）项目开发了一个积极自主的外骨骼本身就有能力支撑自己的自重并能运载外部载荷。以前所有的外骨骼不是固定在一个固定的动力源上就是没有足够强大的力量进行外部负载。此外， 伯克利负重器是将 有效载荷产生的力量转移给地面，而不是像矫形器和背带那样让穿戴者承受负载。为了解决步行外骨骼所固有的复杂性， 从而消除了人与人之间或人与机器人之间的尺寸差异的问题。 3. 外骨骼的控制 伯克利负重器 的控制算法是在两个外骨骼之间使用最低限度的相互作用力来保证外骨骼契合操作者的运动。此外，这种控制方案无需对操作者进行直接测量甚至不需要对外骨骼与操作者接触的地方进行测量（例如在两者之间没有力传感器），取而代之的是只基于对外骨骼的测量，以使控制器估算出如何移动，可以使得操作者感到非常小的压力 17。这种控制方法解决了测量互动力或者人体肌肉活动在测量过程中产生的关联性问题。 伯克利负重 器 的基本控制原理是基于这样一种概念，外骨骼系统需要迅速的契合穿戴者发出的随意的或者自然而然的运动，不得延误。这就要求外骨骼对所有的力和力矩具有一个高水平的响应灵敏度。该 伯克利负重器 的控制系统仅仅通过了对外骨骼系统进行变量测量就提高了闭环系统对操作者的力量和力矩的灵敏性 17。 该 伯克利负重器 也有两个现实的问题。首先，对外部力具有较高灵敏度的外骨骼在对外部力进行回应的时候无论这个力是不是来自于穿戴者它都会进行回应。例如，如果有人推了一个具有较高的灵敏度的外骨骼一下，那么它就会认为这个力来自于穿戴者而进行运动 。外骨骼稳定性的关键在于防止外骨骼对外部力进行回应，而这一点取决于穿戴者的迅速移动能力（如退一步或侧身）以便为她自己 /他自己和外骨骼创造一个稳定的处境。因此，这时候就需要一个很宽的控制带宽以便于外骨骼回应无论是穿戴者的自愿和非自愿运动（即条件反射）。第二个问题是，这种控制方法对参数的变化有小的鲁棒性，因此需要一个具有比较好的动态模型的系统 17。 4. 结构设计 设计一个下肢外骨骼最重要的一点是为腿部选择一个整体结构的构架。许多不同的布局可以将四肢关节结合起来，形成一个有效的腿，但任何结构一般都会分成几个 类别 : A. 拟人化设计 拟人化方案 试图使 构架完全匹配人类的腿（图 2）。通过运动学匹配人体自由度和肢体长度，外骨骼的腿的位置恰好符合人体腿部的位置。这 极 大的简化了许多设计问题。例如对于人 /外骨骼的碰撞这个问题就不需要关注了。但是，一个关键的难题是在设计关节时人类的腿关节是不能复制使用一些通用技术的。 例如， 人的膝盖不能进行纯粹的旋转并且重复运动会导致需要一个复杂的（ 也许会不太稳定的 ） 机械系统。在这个构架中的另一个关键点就是外骨骼的长度必须等于人类肢体长度。这意味着，对于不同的操作者穿戴外骨骼时，外骨骼 的四肢高度必须可以进行调节。在一般情况下，人们都会错误的认为拟人化方案是最佳选择，因为它可以使外骨骼更加契合操作者而无论操作者是否有这种需要。 B. 非拟人化的结构 虽然不同于常见的外骨骼设计，但是许多非拟人化的设备是非常成功的，例如自行车。 非拟人化构架为腿的设计开辟了广阔的可能性只要外骨骼不会干扰或限制操作者就 行 （图 2）。开发一种不同于人腿但是却依旧可以通过一些 必要的行动来 移动脚并且具有现实意义的构架是非常困难的（如拐角处的转弯和深下蹲）。在非拟人化设计中外骨骼必须避免那些操作者无法控制但是会对操作者产生 强迫外力的结构，因此安全问题变得更加突出。这种体系结构的另一个问题是，外骨骼腿可能会经常与人腿或与外部物体发生碰撞因为外骨骼关节不与人体关节位于同一个地方。 C. 伪拟人化 为了与外界环境之间保持最大的安全性和最小的碰撞， 伯克利负重器 项目选择了一个几乎拟人化的架构。这意味着 伯克利负重器 的腿在运动学方面类似于人类的腿，但不包括人类双腿所有的自由度。此外， 伯克利负重器 的自由度纯粹都是旋转关节。 由于人类的腿和外骨骼腿的在运动学上并不完全相同（只是类似），人体与外骨骼也只是在四肢进行了刚性连接（ 脚和躯干）。任何其他的刚性连接将会因为运动学上的差异而导致大量的力会作用在操作者身上。 5. 自由度 由于 此它像人体一样有 髋关节 ，膝关节，踝关节，但这些关节的细节却不同于人体。总体而言， 髋关节 3个自由度 膝关节一个自由度 (只有一个曲伸自由度 ) 踝关节三个自由度 人体的髋关节 类似于一个球和一个具有三个自由度的插座关节18。 所以很自然地设计了一个具有三个自由度的外骨骼 髋 关节，使得满足三个旋转轴线通过人体中类 似于球和插座的 髋 关节这个条件。然而，通过对几个模型和设备的设计，我们了解到，这些设计限制了运动范围并且导致人的臀部会产生奇异的姿势。因此，将会选择在人体后面用一个单轴的旋转关节来作为双腿的髋部旋转关节，如图 3 所示 ; 因此它不再穿过人体髋关节。 此外 ,另一种方法是将旋转关节 直接安装在用于测试目的的每一条外骨骼腿上。这两个髋关节的外展 /内收和弯曲 /伸展轴都穿过人体髋关节。 人类的膝关节是一种在 股骨和胫骨之间发生 滚动和滑动的 复杂结构，它允许膝盖弯曲时关节的中心发生旋转 18为 择一个纯粹的旋转关节 将会使问题变得简单和 鲁棒性，除了更直接的动态建模，却使得外骨骼的膝关节不同于人体的膝关节。此外， 锁定 “ 腿的能力，因为它不具备运动的旋转中心。 就像人的脚踝， 的弯曲 /伸 展轴与 人体踝关节的弯曲 /伸展轴一致。为了简单化设计， 展 /内收和旋转轴都不通过人的脚并且形成一个超出人体脚的范围的平面（图 4）。 在 外骨骼脚部的前面，在操作者脚趾的下面，它会使得外骨骼的脚和人体的脚可以柔顺的进行 弯曲（见第 6运动范围 伯克利负重器 的运动学接近 人体运动学，所以 伯克利负重器 关节的运动范围是由对人体关节的运动范围的研究决定的。最起码，在人行走的过程中 伯克利负重器 关节活动的范围应等于人体的运动范围（如表 1的第一栏所示），这可通过检查临床步态分析（ 数据而发现（ 19- 21）。安全因素决定了 伯克利负重器 的活动范围不应该超出操作者的运动范围（表一栏 3所示） 22。对于每一个自由度，表 1的第 2列列出了一系列 伯克利负重器 的运动范围，在一般情况下， 伯克利负重器 的活动范围应该大于人行走 时的运动范围并且应该小于人体得最大运动范围。 理想的情况下，为了成为最容易操作外骨骼，人们会渴望有一个系统的运动范围稍微低于人体的最大运动范围。然而， 用线性驱动器（见第八节），所以一些关节的运动范围减少，以防止运动制动器的轴通过关节中心。 如果不这样防止，就可能因为关节的结构导致执行机构无法产生足够的转矩。此外，所有的关节活动范围在原型测试 期间都进行了 测试和修订（图 5）。例如，模型试验决定了 伯克利负重器 的踝关节的弯曲 /伸展运动范围需要大于人体踝关节的运动范 围，以适应人类脚的自由度较小，无法模拟伯克利负重器的脚。 7. 用什么关节进行驱动？ 伯克利负重器的每一条腿有七个自由度（ 8个灵活的脚趾），但是对这些所有的自由度都进行驱动的话会导致不必要的高能耗和控制的复杂化。相反应该只对那些需要大量的能量的关节进行驱动。作为第一步，驱动主要是为步行设计 的，因此排气口的数据被用来确定哪些自由度在行走时消耗功率。 正如所预料的那样 ,电力消耗最大的是踝关节，膝关节，髋关节的弯曲 /伸展（ 18， 19 - 21，图 . 6）。踝关节和髋关节都需要大量的能量因此需要进行驱动。在行走过程中膝关节需要的主要是负面功率（它吸收功率） ;然而，当上台阶和斜坡，或蹲的时候，膝关节便成为了为系统增加驱动能量的关键 23 (图 . 7). 因此，膝关节也需要驱动。 除了弯曲 /伸展关节，髋关节外展 /内收在行走过程中也需要大量的能量， 因为它提供给了侧向平衡力量 ;因此 ,伯克利负重器的髋关节外展 /内收关节需要驱动。根据适配器的数据， 其他的自由度 （髋关节的旋转，踝关节的旋转，和踝关节的外展 /内收）在行走过程中都只需要消耗非常少的功率因此不需要驱动（图 图 . 8总结了伯克利负重器所有的自由度，并指出其中哪些关节是需要驱动的。而那些不需要驱动的关节可能会有弹簧，或其他阻抗，以减少对人体肌肉的负载和增加舒适度。 8. 执行机构的选择 伯克利负重器是完全自主的， 自己携带自己的电源 ,因此在执行任务期间节能是关键。我们竭尽全力保持外骨骼的腿和致动器，结构紧凑，重量轻，以减少外骨骼 对能量的消耗。此外，该驱动系统的功率效率是至关重要的。 液压执行器有较高的功率系数（电源执行机构的重量比），因此执行器最小化的设想得以成为可能。此外，在很大程度上是由于液压油导的不可压缩性导致了一个相对较高的控制带宽。然而，液压系统可能会在它的伺服阀上浪费大量的功率，因为再通过伺服阀的时候压力会产生较大的下降。伯克利负重器主要使用线性液压执行机构因为它体积小，重量轻，高功效。回转液压执行器通常要么内漏要么会有大量的摩擦。 假设供应压力 为 帕 （ 1000 磅 ）， 伯克利负重器的执行器的尺寸大小足以根据 中的数据 提供关节所需力 矩 24。伯克利负重器的所有关节使用 米 (寸 ) 的孔 , 双作用线性活塞缸。一旦为了确保必须的运动范围 表 1和必须的转矩 24而选择执行机构的尺寸和安装位置时，关节的速度数据将被用来确定在行走过程中所需要的流体的平均流速。伯克利负重器的电源在任何时候都会为伺服阀提供值恒定为 帕（ 1000 磅）的压力，而不管执行机构所需要的力和速度。因此，每一个执行机构的平均液压动力都取决于平均流速和平均压力的乘积。对于伯克利负重器来说在行走过程中它的踝关节，膝关节和髋关节的 弯曲 /伸展关节平均需要 瓦的液压力 24。因为除了行走以外 还有其他的运动并且还要考虑到髋关节的外展 /内收执行机构所以还必须额外附加一个 540 瓦的液压力。 选择 4 路，双级 的伺服阀来控制执行机构是因为它的 高带宽，高流量，低电力要求。这些阀门每一个大约需要 28 因此八个阀门总共需要消耗 224 瓦的电能。对于一个 75 公斤的伯克利负重器（包括有效载荷）以 /秒 的速度行走全部大约需要 瓦，或 力（含 10的安全系数）的液压 动力 24. 9. 伯克利负重器的设计 图 重器的整体模型（简要的介绍了伯克利负重器的主要部件）。下面的章节 (A - E)讨论了主要部件的关键特性。 A. 驱动关节的设计 伯克利负重器的关节为负载提供大量的力和离轴弯矩，但却拥有一个修长的轮廓， 不休息 ,低摩擦。 如图。 10所示， 联合结构也拥有一个编码器来保护传感器。 两个全套飞机轴承（径向额定负荷 间距为 开来处理力和离轴弯矩作用。所有可驱动的伯克利负重器的关节是都是相同的，除了他们的驱动器安装位置。 B. 脚部的设计 伯克利负重器的脚部是一个重要的组成部分，因为其具 备多种功 能 : 它将伯克利负重器的重量转移到地面上， 所以它必须有结构上的完整性和在周期性的力量存在环境下具有较长的寿命。 人体和外骨骼这两者之间是刚性连接，因此它必须确保操作者感到舒适。不舒适的连接强加在人体上的话将会导致一个不自然的行走并且会有不适当的力作用在操作者身上。 它测量的是脚的压力中心的位置，因此，确定了脚在地面上的结构。对于伯克利负重器的控制系统来说这个信息是必要的 17。 它可以测量人体的负荷分配（人的每条腿需要承受多少人的体重），它也可用于伯克利负重器的控制系统。 如图 11 所示，脚 的主体结构有能够将负荷转移到地面的僵硬的脚跟和舒适灵活的脚趾。 操作者的靴子通过一个约束力牢牢地连接在了外骨骼的脚部。沿脚的底部，开关可以检测到脚与地面接触的部分。为了达到坚固性，这些开关被制造成一个橡胶底的。图 11 说明的是负荷分配传感器，填充在人体脚部和外骨骼脚部主要结构两者之间的是一个装满液压油的橡胶制成的 “ 压力管 ” 。只有人体的（不是外骨骼的）重量转移到压力管上并且被传感器测量。该传感器使用的控制算法来检测他们的左腿相对于他们右腿的地方有多少重量。 该伯克利负重器的小腿和大腿的主要功能是结构支撑和将弯曲 /伸展关节连接在一起（图 12 和图 13）。无论是小腿和大腿都被设计为可调的，以适合从百分之 5 至百分之 95 的人；他们是由两部分组成，两者之间可以相互滑动然后锁定在所需要的长度 。 为了尽量减少液压工作路线，设计了一个专门控制 在阀门 ,致动器 ,供应 ,和返回线之间流体线路的集合管。 这些集合管直接安装在气缸上以减少液压阀门和执行机构之间的液压距离，最大限度地提高执行机构的性能。执行器，分水器，踝关节的阀门都安装在小腿上，而制动器，集成块，膝关节和髋关节的阀门都在安装在大腿上。一个集合管装在膝关节的 执行器上，为膝关节和髋关节的致动器提供液压油路。 D. 躯干设计 如图 14所示，伯克利负重器的躯干连接至臀部结构（如图 13所示）。 电源，控制计算机，有效载荷都安装在躯干的后面。 图 14也说明了执行机构、阀门和髋关节众多的 外展 /内收关节。安装在躯干上的测斜仪为控制算法给出绝对的角度考。 定制电子板 （ 称为远程 I/ 用于获取传感器的所数据 ， 于控制计算机进行通信（称为主管 I / O、模块或 25。 一些 图 14上做出了 说明。 操作者在使用过程中都会佩戴躯干前面配备的安全带的。安全带（如图 15所示）对于操作者来说是第二个刚性附着点。一般情况下，安全带由一个 弯曲的，刚性的连接到躯干上的背板组成。它也包括舒适的和背包带一样的能够固定操作者并且能够分担任何加载在操作者躯干，胸部，肩部和上背部的压力的肩带。有一些肩带是为了给操作者提供最大限度的舒适度而装备的。 不同于大多数运动肩带，外骨骼肩带必须可以均布来自任意方向的力和力矩。从理论上讲， 完美的控制下 ,只需要平衡操作者于机器之间传输的的负载，但是随着控制器的发展，安全带 需要承受 任何可能的负荷。 图。 16显示了当前伯克利负重器的设计。黑背包包住电源，电脑控制器，有效载荷。 虽然仍有重大的工作需要去做，但是伯克利负重器已经一边携带自身的重量一边自己产生动力的成功行走了。这使得伯克 利负重器成为了第一个具有携带有效载荷的能力的自主下肢外骨骼。 目前伯克利负重器已经被证实可以支持多达 75公斤 (外骨骼的自重 +载荷 ),并以 /秒的速度行走，并且通过大量的试验证明无需任何 人为传感或编程的运动，伯克利负重器就可以尾随操作者的行动。 当前对伯克利负重器的研究工作主要是研究预测和实测的性能数据之间的差异性和分析提高系统效率的方法。外 骨骼的运作是一个测试当前和未来外骨骼的新型传感器， 驱动方案，和控制方案的极好的平台。 希望能不断改善系统的适应能力，伯克利负重器将会成为一款通过提高人体的承载能力和 持续通过恶劣环境的能力的实用的装备。 参考文献 1 H. 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