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美國加州大學柏克萊分校的下肢外骨骼 機械設計( 伯克利負重器) H. 械工程系 加州大學,伯克利,加拿大, 94720,美國 第一個能夠積極自主的降低壓迫 ,可以攜帶有效載荷的 外骨骼 已經在美國伯克利大學得到了論證 。 本文總結了關于伯克利下肢外骨骼( 伯克利 負重器 )的機械設計。 以模擬人體為基礎的 伯克利負重器的每條腿有 7個自由度,其中有四個自由度是靠 線性的液動執行機構為其提供動力。 該文章對自由度的選擇以及運動范圍進行了描述, 此外對 伯克利負重器的一些具有重大意義的重要結構的設計也包含在內。 關鍵詞 伯克利負重器,外骨骼,可穿戴機器人,機械設計,腿運動。 1. 論文簡介 運送重型物體通常使用輪式 車輛。然而許多環境如巖石地形和樓梯,便對輪式車輛構成了具有重大意義的挑戰。 因此 步行 運動成為一個有吸引力 的 一種交通方式 ,在這些情況下 ,因為腿適應各種各樣 的極端的地形。伯克利下肢外骨骼(通常稱為 伯克利負重器 )是第一個戰場操作機器人系統,其操作者在穿戴之后,伯克利負重器 可以為其使用者提供在任何類型的地形條件下他 /她都可以以最小的努力背負大的負重。 伯克利負重器 是由兩個供電的擬人化的腿,一個電源和一個背包式的框架所組成, 各種各樣的沉重的載荷都可以安裝在上面 如圖 1。 . 伯克利負重器 通過人際互動而引導的足運動提供承載能力,代替了駕駛車輛, 伯克利負重器 能夠柔順而自然的契合操作者的運動,他 /她 “ 穿 “ 上 伯克利負重器 就像擁有了一對人工雙腿。通過結合機器人的承載能力與人類 的智慧和應變能力, 伯克利負重器 允許承載較重的負荷通過復雜的,非結構化和不確定性的地形。 外骨骼系統通常認為包括 上肢 ,下肢 ,或兩者兼而有之 ; 而 伯克利負重器 項目完全著眼于下肢外骨骼。 上肢外骨骼一般用于操縱重物,通常在倉庫,生產設施和配送中心中使用(如 [1] -[4])。 下肢外骨骼通常在攜帶重物長距離 ( 通常是在戶外 ) 運動和不能通行輪式車輛的路況條件下使用 。 伯克利負重器 有很多應用,它可以提供給戰士,救災人員,消防隊員,以及其他緊急救援人員能夠運載重要負載的能力,如運載食品,救援設備,急救用品,通訊 裝備和武器,而不需要具備苛刻的勞動力。 這是我們的愿景, 伯克利負重器 會為關鍵任務設備提供一個多功能運輸平臺。 2. 背景 第一個活動外骨骼出現在 60年代末和 70年代初的通用電氣公司( 在貝爾格萊德的 通用電氣公司 [5]哈迪曼項目都是非常大的全身外骨骼系統,重達 680公斤使用主從式系統進行控制。安全考慮和復雜性問題使它無法正常行走,甚至無法穩定地移動它的腿。貝爾格萊德外骨骼是一個 和人 一樣 大小的 下肢機器人 ,旨在幫助恢復 截癱 [6]。類似哈迪曼項目,它 從來就不可能帶著它自己 的能源 , 貝爾格萊德骨骼只能遵循已編程序進行步行運動,從而大大限制了它的效用。然而,這個項目確實產生零力矩點控制概念,而該概念目前仍然在人形機器人方面使用。 繼 1970 年的嘗試之后,相對較少的人還在繼續研究下肢外骨骼。 1993 年的時候在 美國加州大學伯克利分校 有一個項目叫電力擴充器 [1]。 這個類似于哈迪曼的計劃是使用電動驅動的全身外骨骼來增強人類的能力。伯克利項目采用力傳感器來檢 測和描 述人的空間方位信息,但在行走方面仍然只取得了非常有限的成功。 21世紀以來,在下肢外骨骼研究方面又重新得到了關注。在日 本,神奈川技術研究所開發出一種全身 “ 可穿戴動力套裝 ” ,以獨特的氣動執行器驅動 [7]。在他們的三個執行機構(膝,腰,肘)都是通過測量人體肌肉相應的硬度來進 行控制的。有限的驅動和便攜式電源供應不足這一制約限制了這款外骨骼的應用。 在日本筑波大學開發的輕量級動力輔助裝置,哈爾 [8]。 哈爾使用肌電圖傳感器來測量人的腿部肌肉和地面反作用力,然后根據肌電圖信號來控制其在膝蓋和臀部的電動執行機構。這種外骨骼有一個隨身電源,但只能用來協助穿戴者的腿部肌肉,它不能進行外部負載。 現在 仍在開發不少其他旨在用來幫助 殘疾人的下肢外骨骼 [9],[11]。除了外骨骼 ,其他的一些有效的下肢 設備也是值得一提。 一個現代康復設備就是一個下肢運動教練, [12]和 [13])。機器人的軀干是安裝在人體上,使其穿戴者能夠在預定的路徑上行走,而不是用來攜帶負載的。雖然不是外骨骼,但是一個成功的產品所都要面臨類似于 在加強穿戴者在行走過程中的的力量和耐力 [14]。 外,在日本的 北海道大學研究人員正在為 背部 設計一個 電力輔助裝置 。在大腿和軀干連接出處,該裝置采用肌電傳感器來控制它的電動馬達。各種各樣的有效地矯形器也正在開發之中,如自帶動力的氣動式肌肉踝關節矯正 [16]。 伯克利下肢外骨骼( 伯克利負重器 )項目開發了一個積極自主的外骨骼本身就有能力支撐自己的自重并能運載外部載荷。以前所有的外骨骼不是固定在一個固定的動力源上就是沒有足夠強大的力量進行外部負載。此外, 伯克利負重器是將 有效載荷產生的力量轉移給地面,而不是像矯形器和背帶那樣讓穿戴者承受負載。為了解決步行外骨骼所固有的復雜性, 從而消除了人與人之間或人與機器人之間的尺寸差異的問題。 3. 外骨骼的控制 伯克利負重器 的控制算法是在兩個外骨骼之間使用最低限度的相互作用力來保證外骨骼契合操作者的運動。此外,這種控制方案無需對操作者進行直接測量甚至不需要對外骨骼與操作者接觸的地方進行測量(例如在兩者之間沒有力傳感器),取而代之的是只基于對外骨骼的測量,以使控制器估算出如何移動,可以使得操作者感到非常小的壓力 [17]。這種控制方法解決了測量互動力或者人體肌肉活動在測量過程中產生的關聯性問題。 伯克利負重 器 的基本控制原理是基于這樣一種概念,外骨骼系統需要迅速的契合穿戴者發出的隨意的或者自然而然的運動,不得延誤。這就要求外骨骼對所有的力和力矩具有一個高水平的響應靈敏度。該 伯克利負重器 的控制系統僅僅通過了對外骨骼系統進行變量測量就提高了閉環系統對操作者的力量和力矩的靈敏性 [17]。 該 伯克利負重器 也有兩個現實的問題。首先,對外部力具有較高靈敏度的外骨骼在對外部力進行回應的時候無論這個力是不是來自于穿戴者它都會進行回應。例如,如果有人推了一個具有較高的靈敏度的外骨骼一下,那么它就會認為這個力來自于穿戴者而進行運動 。外骨骼穩定性的關鍵在于防止外骨骼對外部力進行回應,而這一點取決于穿戴者的迅速移動能力(如退一步或側身)以便為她自己 /他自己和外骨骼創造一個穩定的處境。因此,這時候就需要一個很寬的控制帶寬以便于外骨骼回應無論是穿戴者的自愿和非自愿運動(即條件反射)。第二個問題是,這種控制方法對參數的變化有小的魯棒性,因此需要一個具有比較好的動態模型的系統 [17]。 4. 結構設計 設計一個下肢外骨骼最重要的一點是為腿部選擇一個整體結構的構架。許多不同的布局可以將四肢關節結合起來,形成一個有效的腿,但任何結構一般都會分成幾個 類別 A. 擬人化設計 擬人化方案 試圖使 構架完全匹配人類的腿(圖 2)。通過運動學匹配人體自由度和肢體長度,外骨骼的腿的位置恰好符合人體腿部的位置。這 極 大的簡化了許多設計問題。例如對于人 /外骨骼的碰撞這個問題就不需要關注了。但是,一個關鍵的難題是在設計關節時人類的腿關節是不能復制使用一些通用技術的。 例如, 人的膝蓋不能進行純粹的旋轉并且重復運動會導致需要一個復雜的( 也許會不太穩定的 ) 機械系統。在這個構架中的另一個關鍵點就是外骨骼的長度必須等于人類肢體長度。這意味著,對于不同的操作者穿戴外骨骼時,外骨骼 的四肢高度必須可以進行調節。在一般情況下,人們都會錯誤的認為擬人化方案是最佳選擇,因為它可以使外骨骼更加契合操作者而無論操作者是否有這種需要。 B. 非擬人化的結構 雖然不同于常見的外骨骼設計,但是許多非擬人化的設備是非常成功的,例如自行車。 非擬人化構架為腿的設計開辟了廣闊的可能性只要外骨骼不會干擾或限制操作者就 行 (圖 2)。開發一種不同于人腿但是卻依舊可以通過一些 必要的行動來 移動腳并且具有現實意義的構架是非常困難的(如拐角處的轉彎和深下蹲)。在非擬人化設計中外骨骼必須避免那些操作者無法控制但是會對操作者產生 強迫外力的結構,因此安全問題變得更加突出。這種體系結構的另一個問題是,外骨骼腿可能會經常與人腿或與外部物體發生碰撞因為外骨骼關節不與人體關節位于同一個地方。 C. 偽擬人化 為了與外界環境之間保持最大的安全性和最小的碰撞, 伯克利負重器 項目選擇了一個幾乎擬人化的架構。這意味著 伯克利負重器 的腿在運動學方面類似于人類的腿,但不包括人類雙腿所有的自由度。此外, 伯克利負重器 的自由度純粹都是旋轉關節。 由于人類的腿和外骨骼腿的在運動學上并不完全相同(只是類似),人體與外骨骼也只是在四肢進行了剛性連接( 腳和軀干)。任何其他的剛性連接將會因為運動學上的差異而導致大量的力會作用在操作者身上。 5. 自由度 由于 此它像人體一樣有 髖關節 ,膝關節,踝關節,但這些關節的細節卻不同于人體。總體而言, 髖關節 3個自由度 膝關節一個自由度 只有一個曲伸自由度 踝關節三個自由度 人體的髖關節 類似于一個球和一個具有三個自由度的插座關節[18]。 所以很自然地設計了一個具有三個自由度的外骨骼 髖 關節,使得滿足三個旋轉軸線通過人體中類 似于球和插座的 髖 關節這個條件。然而,通過對幾個模型和設備的設計,我們了解到,這些設計限制了運動范圍并且導致人的臀部會產生奇異的姿勢。因此,將會選擇在人體后面用一個單軸的旋轉關節來作為雙腿的髖部旋轉關節,如圖 3 所示 ; 因此它不再穿過人體髖關節。 此外 ,另一種方法是將旋轉關節 直接安裝在用于測試目的的每一條外骨骼腿上。這兩個髖關節的外展 /內收和彎曲 /伸展軸都穿過人體髖關節。 人類的膝關節是一種在 股骨和脛骨之間發生 滾動和滑動的 復雜結構,它允許膝蓋彎曲時關節的中心發生旋轉 [18]為 擇一個純粹的旋轉關節 將會使問題變得簡單和 魯棒性,除了更直接的動態建模,卻使得外骨骼的膝關節不同于人體的膝關節。此外, 鎖定 “ 腿的能力,因為它不具備運動的旋轉中心。 就像人的腳踝, 的彎曲 /伸 展軸與 人體踝關節的彎曲 /伸展軸一致。為了簡單化設計, 展 /內收和旋轉軸都不通過人的腳并且形成一個超出人體腳的范圍的平面(圖 4)。 在 外骨骼腳部的前面,在操作者腳趾的下面,它會使得外骨骼的腳和人體的腳可以柔順的進行 彎曲(見第 6.運動范圍 伯克利負重器 的運動學接近 人體運動學,所以 伯克利負重器 關節的運動范圍是由對人體關節的運動范圍的研究決定的。最起碼,在人行走的過程中 伯克利負重器 關節活動的范圍應等于人體的運動范圍(如表 1的第一欄所示),這可通過檢查臨床步態分析( 數據而發現( [19]- [21])。安全因素決定了 伯克利負重器 的活動范圍不應該超出操作者的運動范圍(表一欄 3所示) [22]。對于每一個自由度,表 1的第 2列列出了一系列 伯克利負重器 的運動范圍,在一般情況下, 伯克利負重器 的活動范圍應該大于人行走 時的運動范圍并且應該小于人體得最大運動范圍。 理想的情況下,為了成為最容易操作外骨骼,人們會渴望有一個系統的運動范圍稍微低于人體的最大運動范圍。然而, 用線性驅動器(見第八節),所以一些關節的運動范圍減少,以防止運動制動器的軸通過關節中心。 如果不這樣防止,就可能因為關節的結構導致執行機構無法產生足夠的轉矩。此外,所有的關節活動范圍在原型測試 期間都進行了 測試和修訂(圖 5)。例如,模型試驗決定了 伯克利負重器 的踝關節的彎曲 /伸展運動范圍需要大于人體踝關節的運動范 圍,以適應人類腳的自由度較小,無法模擬伯克利負重器的腳。 7. 用什么關節進行驅動 伯克利負重器的每一條腿有七個自由度( 8個靈活的腳趾),但是對這些所有的自由度都進行驅動的話會導致不必要的高能耗和控制的復雜化。相反應該只對那些需要大量的能量的關節進行驅動。作為第一步,驅動主要是為步行設計 的,因此排氣口的數據被用來確定哪些自由度在行走時消耗功率。 正如所預料的那樣 ,電力消耗最大的是踝關節,膝關節,髖關節的彎曲 /伸展( [18], [19] - [21],圖 . 6)。踝關節和髖關節都需要大量的能量因此需要進行驅動。在行走過程中膝關節需要的主要是負面功率(它吸收功率) ;然而,當上臺階和斜坡,或蹲的時候,膝關節便成為了為系統增加驅動能量的關鍵 [23] 圖 . 7. 因此,膝關節也需要驅動。 除了彎曲 /伸展關節,髖關節外展 /內收在行走過程中也需要大量的能量, 因為它提供給了側向平衡力量 ;因此 ,伯克利負重器的髖關節外展 /內收關節需要驅動。根據適配器的數據, 其他的自由度 (髖關節的旋轉,踝關節的旋轉,和踝關節的外展 /內收)在行走過程中都只需要消耗非常少的功率因此不需要驅動(圖 圖 . 8總結了伯克利負重器所有的自由度,并指出其中哪些關節是需要驅動的。而那些不需要驅動的關節可能會有彈簧,或其他阻抗,以減少對人體肌肉的負載和增加舒適度。 8. 執行機構的選擇 伯克利負重器是完全自主的, 自己攜帶自己的電源 ,因此在執行任務期間節能是關鍵。我們竭盡全力保持外骨骼的腿和致動器,結構緊湊,重量輕,以減少外骨骼 對能量的消耗。此外,該驅動系統的功率效率是至關重要的。 液壓執行器有較高的功率系數(電源執行機構的重量比),因此執行器最小化的設想得以成為可能。此外,在很大程度上是由于液壓油導的不可壓縮性導致了一個相對較高的控制帶寬。然而,液壓系統可能會在它的伺服閥上浪費大量的功率,因為再通過伺服閥的時候壓力會產生較大的下降。伯克利負重器主要使用線性液壓執行機構因為它體積小,重量輕,高功效。回轉液壓執行器通常要么內漏要么會有大量的摩擦。 假設供應壓力 為 帕 ( 1000 磅 ), 伯克利負重器的執行器的尺寸大小足以根據 中的數據 提供關節所需力 矩 [24]。伯克利負重器的所有關節使用 米 寸 的孔 , 雙作用線性活塞缸。一旦為了確保必須的運動范圍 [表 1]和必須的轉矩 [24]而選擇執行機構的尺寸和安裝位置時,關節的速度數據將被用來確定在行走過程中所需要的流體的平均流速。伯克利負重器的電源在任何時候都會為伺服閥提供值恒定為 帕( 1000 磅)的壓力,而不管執行機構所需要的力和速度。因此,每一個執行機構的平均液壓動力都取決于平均流速和平均壓力的乘積。對于伯克利負重器來說在行走過程中它的踝關節,膝關節和髖關節的 彎曲 /伸展關節平均需要 瓦的液壓力 [24]。因為除了行走以外 還有其他的運動并且還要考慮到髖關節的外展 /內收執行機構所以還必須額外附加一個 540 瓦的液壓力。 選擇 4 路,雙級 的伺服閥來控制執行機構是因為它的 高帶寬,高流量,低電力要求。這些閥門每一個大約需要 28 因此八個閥門總共需要消耗 224 瓦的電能。對于一個 75 公斤的伯克利負重器(包括有效載荷)以 /秒 的速度行走全部大約需要 瓦,或 力(含 10%的安全系數)的液壓 動力 [24]. 9. 伯克利負重器的設計 圖 重器的整體模型(簡要的介紹了伯克利負重器的主要部件)。下面的章節 A - E討論了主要部件的關鍵特性。 A. 驅動關節的設計 伯克利負重器的關節為負載提供大量的力和離軸彎矩,但卻擁有一個修長的輪廓, 不休息 ,低摩擦。 如圖。 10所示, 聯合結構也擁有一個編碼器來保護傳感器。 兩個全套飛機軸承(徑向額定負荷 間距為 開來處理力和離軸彎矩作用。所有可驅動的伯克利負重器的關節是都是相同的,除了他們的驅動器安裝位置。 B. 腳部的設計 伯克利負重器的腳部是一個重要的組成部分,因為其具 備多種功 能 它將伯克利負重器的重量轉移到地面上, 所以它必須有結構上的完整性和在周期性的力量存在環境下具有較長的壽命。 人體和外骨骼這兩者之間是剛性連接,因此它必須確保操作者感到舒適。不舒適的連接強加在人體上的話將會導致一個不自然的行走并且會有不適當的力作用在操作者身上。 它測量的是腳的壓力中心的位置,因此,確定了腳在地面上的結構。對于伯克利負重器的控制系統來說這個信息是必要的 [17]。 它可以測量人體的負荷分配(人的每條腿需要承受多少人的體重),它也可用于伯克利負重器的控制系統。 如圖 11 所示,腳 的主體結構有能夠將負荷轉移到地面的僵硬的腳跟和舒適靈活的腳趾。 操作者的靴子通過一個約束力牢牢地連接在了外骨骼的腳部。沿腳的底部,開關可以檢測到腳與地面接觸的部分。為了達到堅固性,這些開關被制造成一個橡膠底的。圖 11 說明的是負荷分配傳感器,填充在人體腳部和外骨骼腳部主要結構兩者之間的是一個裝滿液壓油的橡膠制成的 “ 壓力管 ” 。只有人體的(不是外骨骼的)重量轉移到壓力管上并且被傳感器測量。該傳感器使用的控制算法來檢測他們的左腿相對于他們右腿的地方有多少重量。 該伯克利負重器的小腿和大腿的主要功能是結構支撐和將彎曲 /伸展關節連接在一起(圖 12 和圖 13)。無論是小腿和大腿都被設計為可調的,以適合從百分之 5 至百分之 95 的人;他們是由兩部分組成,兩者之間可以相互滑動然后鎖定在所需要的長度 。 為了盡量減少液壓工作路線,設計了一個專門控制 在閥門 ,致動器 ,供應 ,和返回線之間流體線路的集合管。 這些集合管直接安裝在氣缸上以減少液壓閥門和執行機構之間的液壓距離,最大限度地提高執行機構的性能。執行器,分水器,踝關節的閥門都安裝在小腿上,而制動器,集成塊,膝關節和髖關節的閥門都在安裝在大腿上。一個集合管裝在膝關節的 執行器上,為膝關節和髖關節的致動器提供液壓油路。 D. 軀干設計 如圖 14所示,伯克利負重器的軀干連接至臀部結構(如圖 13所示)。 電源,控制計算機,有效載荷都安裝在軀干的后面。 圖 14也說明了執行機構、閥門和髖關節眾多的 外展 /內收關節。安裝在軀干上的測斜儀為控制算法給出絕對的角度考。 定制電子板 ( 稱為遠程 I/ 用于獲取傳感器的所數據 , 于控制計算機進行通信(稱為主管 I / O、模塊或 25]。 一些 圖 14上做出了 說明。 操作者在使用過程中都會佩戴軀干前面配備的安全帶的。安全帶(如圖 15所示)對于操作者來說是第二個剛性附著點。一般情況下,安全帶由一個 彎曲的,剛性的連接到軀干上的背板組成。它也包括舒適的和背包帶一樣的能夠固定操作者并且能夠分擔任何加載在操作者軀干,胸部,肩部和上背部的壓力的肩帶。有一些肩帶是為了給操作者提供最大限度的舒適度而裝備的。 不同于大多數運動肩帶,外骨骼肩帶必須可以均布來自任意方向的力和力矩。從理論上講, 完美的控制下 ,只需要平衡操作者于機器之間傳輸的的負載,但是隨著控制器的發展,安全帶 需要承受 任何可能的負荷。 圖。 16顯示了當前伯克利負重器的設計。黑背包包住電源,電腦控制器,有效載荷。 雖然仍有重大的工作需要去做,但是伯克利負重器已經一邊攜帶自身的重量一邊自己產生動力的成功行走了。這使得伯克 利負重器成為了第一個具有攜帶有效載荷的能力的自主下肢外骨骼。 目前伯克利負重器已經被證實可以支持多達 75公斤 外骨骼的自重 載荷 ,并以 /秒的速度行走,并且通過大量的試驗證明無需任何 人為傳感或編程的運動,伯克利負重器就可以尾隨操作者的行動。 當前對伯克利負重器的研究工作主要是研究預測和實測的性能數據之間的差異性和分析提高系統效率的方法。外 骨骼的運作是一個測試當前和未來外骨骼的新型傳感器, 驅動方案,和控制方案的極好的平臺。 希望能不斷改善系統的適應能力,伯克利負重器將會成為一款通過提高人體的承載能力和 持續通過惡劣環境的能力的實用的裝備。 參考文獻 [1] H. 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