摘要 - 轮式车辆通常不能运输heavymaterialsoverroughterrainorupstaircases.Lowerextrem- ity外骨骼用力补充人类智力，支持一双可穿戴机器人腿的耐力和有效载荷。 本文总结了伯克利下肢外骨骼的设计和分析（BLEEX）。 人类 - 基于条件的BLEEX每条腿有7个自由度，其中4个由线性液压执行器供电。 DOF的选择，criticalhardwaredesignaspects，andinitialperformancemeasure-讨论了BLEEX的问题。 指标术语 - 生物模拟、外骨骼、机电一体化、机器人。 一，引言 HEAVY物体通常由轮式车辆克莱斯组成。然而，岩石斜坡和楼梯等许多环境对轮式车辆构成了重大挑战。在这些环境中，腿部运动成为一种运动attrac-由于腿能适应伯克利下肢的广泛极端地形exoskele-吨（BLEEX）操作员可以佩戴第一个现场操作的机器人系统，并提供携带sig-在任何类型的地形上，有最小的负担和努力。通过四个关键特点实现这一点：一种新颖的控制方案，大功率小电源、特殊通信协议和电子设备，以及降低复杂性和功耗的设计架构。这张纸侧重于架构的设计。BLEEX包括两条动力人形腿，a电源和背包框架可以安装各种重载荷(图1)。 BLEEX通过腿部运动提供负载能力指导人际交往；而不是积极驾驶车辆，BLEEX影响操作员的运动，因为他/她穿它 就像一双人造腿。结合强度能力 - 机器人与导航智能和适应性的关系，人类BLEEX允许承受粗糙、非结构化结构化和不确定的地形。可能的应用程序包括帮助士兵、救灾人员、野火战斗机和其他紧急人员承受通常与苛刻劳动力无关的压力。 2005年9月15日收到手稿； 修订于2005年11月30日。 嘉宾编辑S. Agarwal和V. Krovi所推荐。 这项工作得到了支持 国防高级研究计划部署（DARPA）授予 DAAD19-01-1-509。 A.B。Zoss和H. Kazerooni都是机械工程师， 加利福尼亚大学伯克利分校，CA 94720 USA(电子邮件：azoss @ me.berkeley.edu;exo@berkeley.edu）。 A. Chu与西门子，康科德，CA 94520 USA(电子邮件:archmage.chu @ gmail.com）。 数字对象标识符10.1109 / TMECH.2006.871087
II。背景 20世纪60年代末，第一个活跃的外骨骼发育，几乎与通用电气相同（GE）[1]和 贝尔格莱德Mihajlo Pupin研究所[2]。安全问题和复杂性阻碍了GE的Hardiman项目走路 贝尔格莱德外骨骼只有预编程步行动作。这两个项目被绑在一个静止的地方 能源。最近，一个轻型动力辅助装置HAL筑波大学已经开发了[3]。 设备成功行走并携带自己的电源，其设计只能帮助穿衣者的肌肉；它不能携带外部负荷。神奈川工学院开发了独特的动力气动执行器[4]，全身都是可穿戴电动西装。已被证明有限的应用程序没有便携式电源。还有其他几个下肢，旨在帮助残疾人的骨骼[5] - [7]。就像外骨骼一样，avarietyofpoweredorthosesarebeingdeveloped膝盖[8]，[9]，下背部[10]，脚踝[11]。TheBLEEXprojectisanenergeticallyautonomousexoskele-吨能承受自身重量和外部有效载荷。所有以前的外骨骼要么固定在固定的力量上，供应不足以承受外部负荷。与矫形器和支架不同，BLEEX将有效载荷力传递到地面，而不是佩戴者。
III。 EXOSKELETON控制 BLEEX控制算法确保外骨骼以最小的相互作用力影响操作员 控制方案的亮点是它是唯一的basedonmeasurementsfromtheexoskeleton; therearenodirect 操作人员或操作人员的测量contactstheexoskeleton（例如，noforcesensorsbetweenthetwo） [12]。这消除了与测量相关的问题的相互作用力或人体肌肉活动。Throughthecontrolalgorithm，BLEEXinstantaneouslyshad-owsthewearer’svoluntaryandinvoluntarymovements.Thisre- quiresthecontrollertobeverysensitivetoallforcesandtorques操作员对外骨骼施加强度。为了实现这一点，BLEEX控制增加了闭环系统灵敏度操作员的力量和力量[12]。BLEEX控制方案使用全动态模型外骨骼和大量传感器来解决动态模型并控制其执行器；因此，BLEEX con有大量的电子产品。每个起动接头包括编码器和一对线性加速度计，以确定关节角度、角度速度和角度加速度。另外，clinometergivestheoverallorientationrelativetogravity.Servo 控制和进给阀门和单轴力传感器 - 后驱动力。脚踏开关确定外骨骼脚何时接触地面和负载分布传感器，以确定操作员如何分配重量并以双重姿势吐出脚。所有传感器都连接起来 到分布式电子板网络(远程电子板网络)I / O模块 - ules或RIOM），然后连接到集中控制电脑[13]。表一总结了电子的数量需要BLEEX控制算法。 IV。 自由程度 确保最大的安全和最小的碰撞环境和运营商，BLEEX架构几乎拟人化。 这意味着BLEEX腿类似于人类，但不包括所有学位的自由（DOF）。 另外，BLEEX 自由度是纯旋转接头。 这些关节的细节与人体关节不同，BLEEX髋关节、膝关节和踝关节就像一个人。 总的来说，BLEEX有七个 每条腿的独立自由： a）髋关节3度DOF; b）膝盖1个DOF(矢状面上的纯旋转)； c）脚踝3个DOF。
设计3自由度外骨骼髋关节是很自然的所有三个旋转轴都穿过人类的球插座髋关节。然而，通过几个设计和实验，我们了解到这些设计有有限的运动范围，并导致某些奇异点 因此，旋转接头被移动，使其不与人类髋关节对齐。原来旋转关节直接放置在每个外骨骼上方的腿上(图2中标记为交替旋转)。这种效果对于轻塑模型来说非常好，但是由于高质量的躯干和有效的载荷，造成了全尺寸原型的问题。 联合。因此，目前髋关节旋转关节被选为直接在人体后面的单个旋转轴 并在躯干下(在图2中标记为当前旋转)。当前的旋转接头通常是加载到它的弹簧 弹簧钢板用于图表位置。类似于人类的脚踝，BLEEX脚踝也有3自由度。屈曲/伸展轴与人重合踝关节。为了简化设计，外展/内收BLEEX脚踝上的旋转轴不通过人的腿，在人的脚外形成飞机(图3)。从人的脚踝上卸下BLEEX脚踝外展/内收关节向垂直方向弹起 旋转接头完全自由。此外，外骨骼的前部，在op-erator脚趾与允许外骨骼弯曲的脚一致 用人的脚(见第IX-A节日)。由于人体和骨骼腿的运动学不完全相同(只是相似)，人和外骨骼只是刚性连接到四肢(脚和躯干)。
V. C LINICAL G AIT A NALYSIS（CGA）D ATA A.生物类比设计 每个BLEEX腿有7个自由度(脚趾灵活性除外)，但驱动所有这些都会产生不必要的高功率总结和控制复杂性。相反，只有关节应该启动大量电源。由于我们计划设计具有肢体质量的拟人外骨骼和惯性与人类相同，所需的关节扭矩和外骨骼执行给定动作的能力与大小相似的人类相同。此外，由于下肢外骨骼是运动和共同力量的主要目标 通过分析确定BLEEX步行循环的要求如图1所示。 4。典型的人为关节角度和扭矩步行cy-独立收集CGA获取数据的形式。通常通过人类视频收集CGA捕捉角度数据动作。 CGA通过估计转矩数据来计算肢体质量和惯性，并应用动力学方程运动数据。鉴于个体步态和测量的差异，CGA数据的三个独立来源[14] - 用于分析和设计BLEEX。进一步修改数据以产生外骨骼ac-估价要求。缩放联合扭矩为75kg(预计重量)BLEEX及其有效载荷不包括其佩戴者）和2）将骨盆倾斜角（或根据可用数据获得的下背角）和髋角之间产生单个角度躯干和大腿如图1所示。这占据了外骨骼DOF减少。以下部分 描述使用CGA外骨骼设计数据。标志使用的协议如图1所示。 5。 B.踝关节图。 图示出了75kg人的CGA脚踝角度数据以平均地面行走，距离约为1.3米。在所有地块都可以看到，脚跟发生在0%的步伐循环和脚趾发生在步进循环的60%。 图7显示了踝挠曲。 - 离子/延伸力矩。脚踝扭矩几乎完全负，使单向起动器成为理想的起动选择。这种不对称也意味着首选的安装方向 - 不对称致动器(单面液压缸)。ifsymmetricbidirectionalactuatorsareconsidered，弹簧加载将允许低扭矩产生ac- tuators。 虽然脚踝扭矩在姿势上很大，但在秋千期间可以忽略不计。瞬时脚踝机械功率（如图8所示）通过将关节角速度（派生的）从图。 6)和瞬时接头扭矩(图7)。脚踝在姿势阶段的前半部分吸收能量andreleasesenergyjustbeforetoe-off.Theaverageanklepower是积极的，表明需要发电踝。 C.膝盖 图中膝盖角度 9的特点是膝关节屈曲createahorizontalhiptrajectory.Thekneebucklesmomentarily在挥发过程中，不可避免地会受到大弯曲的影响。 膝关节屈曲减少有效腿长，允许脚清洁地面 基于向前摆动CGA膝盖的动态扭矩如图1所示。10.所需膝关节扭矩为正负 表示需要双向执行器。最高峰值扭矩为早期姿态(60 N·m）延伸;因此，asymmetricactuatorsshouldbebiasedtoprovidegreater延伸力矩。图。 图11示出了CGA膝盖功率。 由于平均功率为负，许多假肢使用功率消耗习惯（即阻尼器）tomimickneedynamics.However，theknee每当人类需要大量的正面时，人类就需要大量的正面力量正在走一个斜坡，或爬楼梯，所以BLEEX膝盖关节动作[17]。 D.臀部 图。 12详细说明了走路时的髋关节角度。大腿移动在正弦曲线图中，大腿在脚跟处向上弯曲罢工允许在人面前接地。这个其次是大部分姿势的臀部延伸相位和通过摆动弯曲。ThehiptorqueinFig.13isrelativelysymmetric（-80to + 60N·米）;因此，需要双向髋部致动器。负在髋关节支撑的早期姿势中需要延伸力矩脚踏上的负载。臀部扭矩在后期姿势为正和早期的秋千，因为臀部推动腿向前摆动。在后摆时，扭矩随着髋关节减速而下降脚跟之前的脚跟。 图。图14示出了瞬时髋关节机械功率。该髋关节在姿态期间吸收能量，并注入其去除力以推进躯干向前。平均功率为正，意味着需要主动致动。除了脚踝，膝盖和/或踝关节的屈曲/伸展关节臀部，人腿上的另一个自由度需要大量的行走时机械力较弱[18]。因此，只有 threeflexion / extensionjointswereinitiallyactuatedonBLEEX。随后，髋关节外展/内收关节被加入以改善横向平衡。 CGA数据显示，髋关节ab-制动/内收联合需要最大的功率为nonflex- 离子/延伸接头[18]。
VI。 活动范围 BLEEX运动学接近人腿运动学，andtherefore，theBLEEXjointrangesofmotionaredetermined 通过检查人类关节运动范围。 至少，BLEEX联合运动范围应等于人步行期间的运动范围（见表二），可以是foundbyexaminingCGAdata [14] - [16] .SafetydictatesthattheBLEEX运动范围不应超过运营商运动范围（见表二）[19]。对于每个DOF，表II也列出了通常较大的BLEEX运动范围比人类在行走时的运动范围小于人体运动的最大范围。最可操纵的外骨骼应该理想 运动范围略低于人类的最大范围的运动。然而，BLEEX使用线性执行器（参见章节VII），因此一些关节运动范围减少到防止执行器的运动轴穿过联合中心。如果没有防止这种情况，联合可以达成致动器不能产生的构造关于其关节的扭矩。另外，所有的关节范围在原型测试中测试和修改了运动。对于例如，模拟测试确定了BLEEX脚踝屈曲/伸展范围需要大于人脚踝运动范围适应人脚较小的DOF未在BLEEX脚中建模。
七。 CTUATOR S ELECTION AND S IZING 液压执行器具有高比功率（致动器比率）torpowertoactuatorweight），andthusarethesmallestactuation选项可用。此外，液压油通常是不压缩的，可以导致相对较高的控制带宽。 BLEEX由于它们使用双作用线性液压执行器体积小，重量轻，强力大。旋 液压执行器没有选择，因为它们通常具有内部泄漏或相当大的摩擦。为了分析确定ac-调速器，执行器的扭矩能力的方程式必须确定。最大的静态推拉力线性液压执行器气缸可以供应， 截面积乘以供给压力（P S）。当一个线性致动器用于产生围绕旋转接头的扭矩，其力臂R作为关节角θ的函数而变化（图15）。执行器可产生的扭矩是其最大力那个时刻的手臂
其中D孔是致动器孔径，D杆是致动器孔径，杆杆直径。致动设计的问题是找到一个组合 致动器横截面，执行器端点和供应压力这提供必要的扭矩，但最小化液压消费。由于BLEEX动态与人类接近腿部动力学，执行器必须产生大于的扭矩CGA数据为了走路。另外，执行器必须达到期望的运动范围，同时始终能够产生最小额定转矩。一般来说，没有一个独特的解决方案，但很多可行的可能性。为了找到一个可行的执行器配置，执行器尺寸（横截面，最小长度和行程），供应压力，并为每个关节选择一个终点位置。假设最长和最短的执行器长度出现在theextremesofthejoint’srangeofmotion，thesecondend点positionoftheactuatorcanbecalculated（图16）.Theavailable然后将执行器转矩[（1）和（2）]与要求的转矩进行比较（从CGA数据确定）。这个过程wasiteratedforeachjointwithdifferentactuatorsizes，安装点或供应压力，直到具有足够扭矩的解决方案并发现充分的低功耗。图图17-19显示了最大扭矩与角度曲线图对于与CGA相比的BLEEX启动，[从（1）和（2）]脚踝，膝盖和髋关节数据。 BLEEX最小市售致动器（约2厘米孔）连同6.9MPa的相对低的供应压力。 八。 P OWER A NALYSIS 一旦执行器被选中，所需的液压估计BLEEX行走的力量。 添加abso-踝关节的膝关节和髋关节流速的琵琶值右腿和左腿产生所需的系统流量。 多-以系统流量为依据供应压力（6.9MPa） 导致了预计的水力消耗总量BLEEX走路，见图。20。BLEEX的平均液压功耗walkis1143W，comparedwith165Wofmechanicalpowercon-根据CAdAdata [17]的说法，总结说，当执行器需要时，确保在伺服阀上滑落压力低于供应压力。 即使它是一个公平的lowefficiency，thisisstandardforvariablehydraulicsystemsandwhencomparingmechanicalsystemstotheirbiologicalcounter-parts.Acustomportablefuel-basedandamonopropellant为主电源BLEEX的电源在[20] - [22]中有所描述。
IX。 BLEEX D ESIGN 图。 21是BLEEX的一个整体模型（简化为empha-尺寸主要部件）。以下部分讨论 主要部件的关键特性。 A.脚设计 BLEEX脚是一个关键组件，由于其各种各样的 功能： a）它测量脚的压力中心的位置，因此，识别脚的配置地面。此信息对于BLEEX控制是必需的[12]。 b）它衡量人的负荷分布（多少）人的体重在每一条腿上），这也被用于BLEEX控件。 c）它将BLEEX的重量转移到地面，所以必须具有结构完整性，周期性的环境力量。 d）它是人类和外骨骼的两个地方之一刚性连接，因此必须舒适为运营商。如图所示。 22，脚的主要结构是僵硬的脚趾将负载转移到地面，并且具有灵活的脚趾安慰。操作者的靴子刚刚附着在顶部外骨骼通过快速释放绑定。沿底部的脚，开关检测脚的哪些部分接触与地面。对于坚固性，这些开关是模制的成为定制橡胶鞋底。也在图1中示出。 22是负载分布传感器 - 一个装有液压油的橡胶“压力管”，夹在人脚之间主要外骨骼脚结构。只有人的重量 （而不是外骨骼）被转移到压力管上并由传感器测量。该传感器由控制器使用算法来检测人们对他们的重视程度左腿与右腿相对。 B.小腿和大腿设计 BLEEX柄和大腿的主要功能是提供结构支撑并连接屈曲/伸展接头在一起（图23和24）。 小腿和大腿都是旨在适应90％的人口; 他们组成的两块，彼此滑动，然后锁在所需长度。 为了最小化液压路径，设计了歧管将流体路由在阀门，致动器，供应和返回线。 这些歧管直接安装在气缸上降低阀门和执行机构之间的液压距离，maximizingtheactuator’sperformance.Theactuator，歧管，和用于脚踝安装到柄上的阀，而执行器，歧管和膝关节和髋关节的阀门都在大腿上。 一歧管，安装在膝盖执行器上，使液压通路用于膝盖和髋部执行器的流体。
C.躯干设计 如图所示。 25，BLEEX躯干连接到臀部结构（如图2所示）。 电源，控制组合推杆和有效载荷安装到躯干的后侧。 一个incli-安装在躯干上的nometer给出绝对角度参考用于控制算法。 定制线束安装在前面的躯干将外骨骼保持在操作者身上。 除此之外脚，线束是唯一的其他位置的用户和外骨骼刚性连接。 图。 25也说明了执行器，阀门和歧管，用于髋外展/内收联合。定制电子板（RIOM）用于获取全部的传感器数据并与控制计算机通信（称为主管I / O模块或SIOM）[13]。 一些RIOM与SIOM一起附加到BLEEX躯干上，见图。 25.其他RIOMs连接到柄和大腿，但为了清楚，省略了图。 D.最终设计 Fig.26showsthecurrentBLEEXdesign.Theblackbackpack封闭电源，控制器计算机和有效载荷 X . E XPERIMENTALLY M EASURED P ERFORMANCE 使用人类CGA设计外骨骼动作数据，它假定BLEEX的运动学和动力学紧密匹配人腿运动学和动力学。核实这个假设，并用于未来的外骨骼发育，从BLEEX步行测量扭矩和角度数据。该测量踝关节，膝关节和髋关节屈曲/伸展的数据接头如图1和2所示。 27-29。数字显示 torquedesiredbythecontrollerandthetorqueactuallymeasured从传感器。此外，曲线显示了执行机构极限曲线等测量数据可以轻松比较CGA曲线（图17-19）。所有测量的扭矩曲线都在最大值范围内执行器曲线，显示BLEEX具有足够的扭矩步行不会使执行器饱和。然而，一个快速的测量扭矩与角度曲线的型坯（图27-29）andCGAtorquevs.anglecurves（Figs.17-19）revealsthatthere有一些明显的区别。以下是一些更多这些差异的重要原因： a）BLEEX膝盖总是弯曲至少5◦允许 腿总是施加垂直力。这抵消了脚踝和臀部角度稍微正负，膝盖角度略显负面弯曲的膝盖也移动所需的膝盖扭矩比直膝更积极。 b）当BLEEX躯干重量接近人体时， 其重心位于人体躯干中心的后面重力。这造成了踝关节和髋关节的负面变化扭矩和膝关节扭矩的正移位。 c）每个接头执行机构的局部转矩控制不是按照“ 因此不能总是达到预期的扭矩。通常来自膝关节和髋关节的测量数据不同最多来自用于设计驱动的CGA数据。都膝盖和臀部也每步消耗更多的能量（区域en-以扭矩/角度曲线盘旋）比预测的，但脚踝消耗更少的能量。 十一。 。 C ONCLUSION AND F UTURE W ORK 近似BLEEX运动学和动力学与人腿运动学和动力学相同基于CGA数据设计的BLEEX驱动。这个导致一个BLEEX腿与7自由度，其中四个是ac-（踝关节，髋关节和髋关节的屈曲/伸展） 致动器尺寸，执行机构安装积分和服务选择使用CAdAd.Ini-计算结果表明BLEEX应该消耗大约步行时功率为1140 W。测量的扭矩与角度来自BLEEX的曲线表明了基于CGA的设计 产生了足够的扭矩来行走的外骨骼。然而，测量曲线确实不同于CGA曲线，显示 BLEEX运动学和动力学不完全匹配人类;因此，进一步的设计改进可以是ac-基于更精确的测量扭矩来进行对角度曲线。虽然还有重要的工作，BLEEX有成功走过自己的重量， 拥有自己的力量。这使得BLEEX成为首例自主的下肢外骨骼能携带有效载荷。目前，BLEEX已被证明支持高达75公斤，速度可达1.3米/秒，通过大量的动作，没有任何人的感觉 或预编程动作。BLEEX目前的工作包括继续分析measuredperformancedatainordertoimprovetheactuationde-标志和效率。也正在进行相当大的工作以降低BLEEX的总体功耗通过减少致动，附加的无源元件或改进的效率。努力减轻体重和体重，吨结构对提高系统效率至关重要，折叠有效载荷能力，并导致更苗条更多的现场 设计。希望对系统的不断改进BLEEX将成为一种实用的方法，creasinghuman-carryingcapacityandendurancethroughrough环境。