美國加州大學(xué)柏克萊分校的下肢外骨骼 機(jī)械設(shè)計(jì)（ 伯克利負(fù)重器）克利，加拿大， 94720， 美 國m 第一個(gè)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(jīng)在美國伯克利大學(xué)得到了論證 。 本文總結(jié)了關(guān)于伯克利下肢外骨骼（ 伯克利負(fù)重器 ）的機(jī)械設(shè)計(jì)。 以模擬人體為基礎(chǔ)的 伯克利負(fù)重器的每條腿有 7個(gè)自由度 ，其 中 有 四 個(gè) 自 由 度 是 靠 線 性 的 液 動(dòng) 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 為 其 提 供 動(dòng) 力 。 該 文 章 對 自 由 度 的選 擇 以 及 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 進(jìn) 行 了 描 述 ， 此 外對 伯克利負(fù)重器的一些具有重大意義的重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)也包含在內(nèi)。關(guān)鍵詞 伯克利負(fù)重器，外骨骼，可穿戴機(jī)器人，機(jī)械設(shè)計(jì)，腿運(yùn)動(dòng)。 簡 介 運(yùn)送重型物體通常使用輪式 車輛 。 然而許多環(huán)境如巖石地形和樓梯 ， 便對輪式車輛構(gòu)成了具有重大意義的挑戰(zhàn) 。 因此步行運(yùn)動(dòng)成為一個(gè)有吸引力的一種交通 方 式 ,在 這 些 情 況 下 ,因 為 腿 適 應(yīng) 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(fù)重器 ） 是第一個(gè)戰(zhàn)場操作機(jī)器人系統(tǒng) ， 其操作者在穿戴之后 ，伯克利負(fù)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(fù)大的負(fù)重。伯克利負(fù)重器 是由兩個(gè)供電的擬人化的腿 ， 一個(gè)電源和一個(gè)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)。 過人際互動(dòng)而引導(dǎo)的足運(yùn)動(dòng)提供承載能力 ， 代替了駕駛車輛 ， 伯克利負(fù)重器 能夠柔順而自然的契合操作者的運(yùn)動(dòng)，他 /她 “ 穿 “ 上 伯克利負(fù)重器 就像擁有了一對人工雙腿。通過結(jié)合機(jī)器人的承載能力與人類的智慧和應(yīng)變能力 ， 伯克利負(fù)重器 允許承載較重的負(fù)荷通過復(fù)雜的，非結(jié)構(gòu)化和不確定性的地形。 外 骨 骼 系 統(tǒng) 通 常 認(rèn) 為 包 括 上 肢 ,下 肢 ,或 兩 者 兼 而 有 之 ;而 伯 克 利 負(fù) 重 器 項(xiàng)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(chǎn)設(shè)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(yùn)動(dòng)和不能通行輪式車輛的路況條件下使用 。伯 克 利 負(fù) 重 器 有 很 多 應(yīng) 用 ， 它 可 以 提 供 給 戰(zhàn) 士 ， 救 災(zāi) 人 員 ， 消 防 隊(duì) 員 ， 以及其他緊急救援人員能夠運(yùn)載重要負(fù)載的能力 ， 如運(yùn)載食品 ， 救援設(shè)備 ， 急救用品 ， 通訊裝備和武器 ， 而不需要具備苛刻的勞動(dòng)力 。 這是我們的愿景 ， 伯克利負(fù)重器 會(huì)為關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備提供一個(gè)多功能運(yùn)輸平臺(tái)。0年代末和 70年代初的通用電氣公司 （ 和在貝爾格萊德的 通用電氣公司 5哈迪曼項(xiàng)目都是非常大的全 身 外 骨 骼 系 統(tǒng) ， 重 達(dá) 680公 斤 使 用 主 從 式 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 控 制 。 安 全 考 慮 和 復(fù) 雜 性 問題使它無法正常行走 ， 甚至無法穩(wěn)定地移動(dòng)它的腿 。 貝爾格萊德外骨骼是一個(gè)和人 一 樣 大 小 的 下 肢 機(jī) 器 人 ， 旨 在 幫 助 恢 復(fù) 截 癱 6。 類 似 哈 迪 曼 項(xiàng) 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(jìn)行步行運(yùn)動(dòng) ， 從而大大限制了它的效用 。 然而 ， 這個(gè)項(xiàng)目確實(shí)產(chǎn)生零力矩點(diǎn)控制概念 ， 而該概念目前仍然在人形機(jī)器人方面使用。繼 1970年 的嘗 試之 后， 相對 較少 的人 還在 繼續(xù) 研究 下肢 外骨 骼。 1993年的 時(shí) 候 在 美 國 加 州 大 學(xué) 伯 克 利 分 校 有 一 個(gè) 項(xiàng) 目 叫 電 力 擴(kuò) 充 器 1。 這 個(gè) 類 似 于 哈迪曼的計(jì)劃是使用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)的全身外骨骼來增強(qiáng)人類的能力 。 伯克利項(xiàng)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(jì)以 來， 在下 肢外 骨骼 研究 方面 又重 新得 到了 關(guān)注 。在 日本 ，神 奈川 技術(shù)研究所開發(fā)出一種全身 “ 可穿戴動(dòng)力套裝 ” ，以獨(dú)特的氣動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng) 7。在他們的三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（膝，腰，肘）都是通過測量人體肌肉相應(yīng)的硬度來進(jìn)行控制的。有限的驅(qū)動(dòng)和便攜式電源供應(yīng)不足這一制約限制了這款外骨骼的應(yīng) 用。 在 日本 筑波 大學(xué) 開發(fā) 的輕 量級(jí) 動(dòng)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(jù)肌電圖信號(hào)來控制其在膝蓋和臀部的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。這種外骨骼有一個(gè)隨身電源，但只能用來協(xié)助穿 戴者的腿部肌肉，它不能進(jìn)行外部負(fù)載。 現(xiàn) 在 仍 在開 發(fā)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(shè)備也是值得一提 。 一個(gè)現(xiàn)代康復(fù)設(shè)備就是一個(gè)下肢運(yùn)動(dòng)教練， 12和 13）。機(jī)器人的軀干是安裝在人體上 ，使其穿戴者能夠在預(yù)定的路徑上行走，而不是用來攜帶負(fù)載的。雖然不是外骨 骼 ， 但 是 一 個(gè) 成 功 的 產(chǎn) 品 所 都 要 面 臨 類 似 于 戰(zhàn) 。 的在加強(qiáng)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(xué)研究人員正在為 背部 設(shè)計(jì)一個(gè) 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(dòng)馬達(dá)。各種各樣的有效地 矯形器也正在開發(fā)之中，如自帶動(dòng)力的氣動(dòng)式肌肉踝關(guān)節(jié)矯正 16。伯克利下肢外骨骼（ 伯克利負(fù)重器 ）項(xiàng)目開發(fā)了一個(gè)積極自主的外骨骼本身就有能力支撐自己的自重并能運(yùn)載外部載荷。以前所有的外骨骼不是固定在 一個(gè)固定的動(dòng)力源上就是沒有足夠強(qiáng)大的力量進(jìn)行外部負(fù)載。此外， 伯克利負(fù)重器是將 有效載荷產(chǎn)生的力量轉(zhuǎn)移給地面，而不是像矯形器和背帶那樣讓穿戴者承受負(fù)載 。 為了解決步行外骨骼所固有的復(fù)雜性 ， 從而消除了人與人之間或人與機(jī)器人之間的尺寸差異的問題。 骼 的 控 制 伯 克利 負(fù)重 器 的 控制 算法 是在 兩個(gè) 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(yùn)動(dòng)。此外，這種控制方案無需對操作者進(jìn)行直接 測量甚至不需要對外骨骼與操作者接觸的地方進(jìn)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(dòng)，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(dòng)力或者人體肌肉活動(dòng)在測量過程中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性問題。伯克利負(fù)重器 的基本控制原理是基于這樣一種概念 ， 外骨骼系統(tǒng)需要迅速的契合穿戴者發(fā)出的隨意的或者自然而然的運(yùn)動(dòng) ， 不得延誤 。 這就要求外骨骼對所有的力和力矩具有一個(gè)高水平的響應(yīng)靈敏度 。 該 伯克利負(fù)重器 的控制系統(tǒng)僅僅通過 了 對 外 骨 骼 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 變 量 測 量 就 提 高 了 閉 環(huán) 系 統(tǒng) 對 操 作 者 的 力 量 和 力 矩 的 靈敏性 17。該 伯克利負(fù)重器 也有兩個(gè)現(xiàn)實(shí)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(jìn) 行 回 應(yīng) 的 時(shí) 候 無 論 這 個(gè) 力 是 不 是 來 自 于 穿 戴 者 它 都 會(huì) 進(jìn) 行 回應(yīng) 。 例如 ， 如果有人推了一個(gè)具有較高的靈敏度的外骨骼一下 ， 那么它就會(huì)認(rèn)為這個(gè)力來自于穿戴者而進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 。 外骨骼穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于防止外骨骼對外部力進(jìn)行回應(yīng) ， 而這一點(diǎn)取決于穿戴者的迅速移動(dòng)能力 （ 如退一步或側(cè)身 ） 以便為她自己 /他自己和外骨骼創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的處境。因此，這時(shí)候就需要一個(gè)很寬的控制帶寬以便于外骨骼回應(yīng)無論是穿戴者的自愿和非自愿運(yùn)動(dòng)（即條件反射） 。 第二個(gè)問題是 ， 這種控制方法對參數(shù)的變化有小的魯棒性 ， 因此需要一個(gè)具有比較好的動(dòng)態(tài)模型的系統(tǒng) 17。 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)下肢外骨骼最重要的一點(diǎn)是為腿部選擇一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的構(gòu)架 。 許多不同的布局可以將四肢關(guān)節(jié)結(jié)合起來 ， 形成一個(gè)有效的腿 ， 但任何結(jié)構(gòu)一般都會(huì)分成幾個(gè)類別 : 人 化 方 案 試 圖 使 構(gòu) 架 完 全 匹 配人類的腿 （ 圖 2） 。 通過運(yùn)動(dòng)學(xué)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(shè)計(jì)問題。例如對于人 /外骨骼的碰撞這個(gè)問題就不需要關(guān)注了 。但是 ， 一個(gè)關(guān)鍵的難題是在設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)時(shí)人 類 的 腿 關(guān) 節(jié) 是 不 能 復(fù) 制 使 用 一 些 通用技術(shù)的 。 例如 ， 人的膝蓋不能進(jìn)行純 粹 的 旋 轉(zhuǎn) 并 且 重 復(fù) 運(yùn) 動(dòng) 會(huì) 導(dǎo) 致 需 要一個(gè)復(fù)雜的 （ 也許會(huì)不太穩(wěn)定的 ） 機(jī)械系統(tǒng) 。 在這個(gè)構(gòu)架中的另一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(shí) ， 外骨骼的四肢高度必須可以進(jìn)行調(diào)節(jié) 。 在一般情況下 ， 人們都會(huì)錯(cuò)誤的認(rèn)為擬人化方案是最佳選擇 ， 因?yàn)樗梢允雇夤趋栏悠鹾喜僮髡叨鵁o論操作者是否有這種需要。 然不 同于 常見 的外 骨骼 設(shè)計(jì) ，但 是許 多非 擬人 化的 設(shè)備 是非 常成 功的 ，例如自行車 。 非擬人化構(gòu)架為腿的設(shè)計(jì)開辟了廣闊的可能性只要外骨骼不會(huì)干擾或限制操作者就行（圖 2）。開發(fā)一種不同于人腿但是卻依舊可以通過一些 必要的行動(dòng)來 移動(dòng)腳并且具有現(xiàn)實(shí)意義的構(gòu)架是非常困難的 （ 如拐角處的轉(zhuǎn)彎和深下蹲 ） 。 在非擬人化設(shè)計(jì)中外骨骼必須避免那些操作者無法控制但是會(huì)對操作者產(chǎn)生強(qiáng)迫外力的結(jié)構(gòu) ， 因此安全問題變得更加突出 。 這種體系結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問題是 ，外 骨 骼 腿 可 能 會(huì) 經(jīng) 常 與 人 腿 或 與 外 部 物 體 發(fā) 生 碰 撞 因 為 外 骨 骼 關(guān) 節(jié) 不 與 人 體 關(guān)節(jié)位于同一個(gè)地方。 伯克利負(fù)重器 項(xiàng)目選擇了一個(gè)幾乎擬人化的架構(gòu) 。 這意味著 伯克利負(fù)重器 的腿在運(yùn)動(dòng)學(xué)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(fù)重器 的自由度純粹都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 。 由于人類的腿和外骨骼腿的在運(yùn)動(dòng)學(xué)上并不完全相同 （ 只是類似 ） ，人體與外骨骼也只是在四肢進(jìn)行了剛性連接 （ 腳和軀干 ） 。 任何其他的剛性連接將會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)學(xué)上的差異而導(dǎo)致大量的力會(huì)作用在操作者身上。 度 由于 因此它像人體一樣有 髖 關(guān) 節(jié) ， 膝關(guān)節(jié) ， 踝關(guān)節(jié) ，但這些關(guān)節(jié)的細(xì)節(jié)卻不同于人體?？傮w而言， 髖 關(guān) 節(jié) 3個(gè) 自 由 度膝關(guān) 節(jié)一 個(gè)自 由度 (只有 一個(gè) 曲伸 自由 度 )踝關(guān)節(jié)三個(gè)自由度人 體 的 髖 關(guān) 節(jié) 類 似 于 一 個(gè) 球 和一 個(gè) 具 有 三 個(gè) 自 由 度 的 插 座 關(guān) 節(jié)18。 所以很自然地設(shè)計(jì)了一個(gè)具有三個(gè)自由度的外骨骼 髖 關(guān)節(jié) ， 使得滿足 三 個(gè) 旋 轉(zhuǎn) 軸 線 通 過 人 體 中 類 似 于球和插座的 髖 關(guān)節(jié)這個(gè)條件。然而 ，通過對幾個(gè)模型和設(shè)備的設(shè)計(jì) ， 我們了解到 ， 這些設(shè)計(jì)限制了運(yùn)動(dòng)范圍并且導(dǎo)致人的臀部會(huì)產(chǎn)生奇異的姿勢 。因此 ， 將會(huì)選擇在人體后面用一個(gè)單軸 的 旋 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 來 作 為 雙 腿 的 髖 部 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，如圖 3所示 ;因此它不再穿過人體髖關(guān)節(jié)。 此外 ,另一種方法是將旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 直接安裝在用于測試目的的每一條外骨骼腿上。這兩個(gè)髖關(guān)節(jié)的外展 /內(nèi)收和彎曲 /伸展軸都穿過人體髖關(guān)節(jié)。人類的膝關(guān)節(jié)是一種在 股骨和脛骨之間發(fā)生 滾 動(dòng) 和 滑 動(dòng) 的 復(fù)雜結(jié)構(gòu) ， 它允許膝 蓋 彎 曲 時(shí) 關(guān) 節(jié) 的 中 心 發(fā) 生 旋 轉(zhuǎn) 18為 蓋 選 擇 一 個(gè) 純 粹 的 旋 轉(zhuǎn) 關(guān) 節(jié) 將會(huì)使問題變得簡單和 魯棒性 ， 除了更直接的動(dòng)態(tài)建模 ， 卻使得外骨骼的膝關(guān)節(jié)不同于人體的膝關(guān)節(jié)。此外， 鎖定 “ 腿的能力，因?yàn)樗痪邆溥\(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)中心。 就像人的腳踝 ， 有 三 個(gè) 的 自 由 度 。 它 的 彎曲 /伸 展 軸 與 人 體 踝 關(guān) 節(jié) 的 彎曲 /伸展軸一致 。 為了簡單化設(shè)計(jì) ， 關(guān) 節(jié) 的 外 展 /內(nèi)收 和 旋 轉(zhuǎn) 軸 都 不 通 過 人 的 腳 并且 形 成 一 個(gè) 超 出 人 體 腳 的 范 圍的平面（圖 4）。在 上 會(huì) 添 加 一 個(gè)額外的自由程度 。 在外骨骼腳部的前面 ， 在操作者腳趾的下面 ， 它會(huì)使得外骨骼的腳和人體的腳可以柔順的進(jìn)行彎曲（見第 6 運(yùn) 動(dòng) 范 圍 伯克利負(fù)重器 的運(yùn)動(dòng)學(xué)接近 人體運(yùn)動(dòng)學(xué) ， 所以 伯克利負(fù)重器 關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍是由對人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍的研究決定的 。 最起碼 ， 在人行走的過程中 伯克利負(fù)重器 關(guān)節(jié)活動(dòng)的范圍應(yīng)等于人體的運(yùn)動(dòng)范圍（如表 1的第一欄所示），這可通過檢查臨床步態(tài)分析（ 數(shù)據(jù)而發(fā)現(xiàn)（ 19-21）。安全因素決定了 伯克利負(fù)重器 的活動(dòng)范圍不應(yīng)該超出操作者的運(yùn)動(dòng)范圍（表一欄 3所示） 22。對于每一個(gè)自由度 ， 表 1的第 2列列出了一系列 伯克利負(fù)重器 的運(yùn)動(dòng)范圍 ， 在一般情況下 ， 伯克利負(fù)重器 的活動(dòng)范圍應(yīng)該大于人行走時(shí)的運(yùn)動(dòng)范圍并且應(yīng)該小于人體得最大運(yùn)動(dòng)范圍。理 想 的 情 況 下 ， 為 了 成 為 最 容 易 操 作 外 骨 骼 ， 人 們 會(huì) 渴 望 有 一 個(gè) 系 統(tǒng) 的 運(yùn)動(dòng) 范 圍 稍 微 低 于 人 體 的 最 大 運(yùn) 動(dòng) 范圍 。 然而 ， 見第八節(jié) ） ， 所以一些關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍減少 ， 以防止運(yùn)動(dòng)制動(dòng)器的軸通過關(guān)節(jié)中心 。 如果不這樣防止 ， 就可能因?yàn)?關(guān) 節(jié) 的 結(jié) 構(gòu) 導(dǎo) 致 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 無 法 產(chǎn)生足夠的轉(zhuǎn)矩 。 此外 ， 所有的關(guān)節(jié)活動(dòng) 范 圍 在 原 型 測 試 期 間 都 進(jìn) 行 了 測試和修訂 （ 圖 5） 。 例如 ， 模型試驗(yàn)決定了 伯克利負(fù)重器 的踝關(guān)節(jié)的彎曲 /伸展運(yùn)動(dòng)范圍需要大于人體踝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范 圍 ， 以 適 應(yīng) 人 類 腳 的 自 由 度 較 小 ， 無 法 模 擬 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 腳 。 么 關(guān) 節(jié) 進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng) ？ 伯 克利 負(fù)重 器的 每一 條腿 有七個(gè)自由度（ 8個(gè)靈活的腳趾） ，但 是對 這些 所有 的自 由度 都進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng)的 話會(huì) 導(dǎo)致 不必 要的 高能 耗 和 控制 的復(fù) 雜化 。相 反應(yīng) 該只 對那 些需 要大 量的 能量 的關(guān) 節(jié)進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng)。 作為 第一 步， 驅(qū)動(dòng) 主要 是 為 步行 設(shè)計(jì) 的， 因此 排氣 口的 數(shù) 據(jù) 被用 來確 定哪 些自 由度 在行 走時(shí)消耗功率。 正 如 所 預(yù) 料 的 那 樣 ,電 力 消耗 最大 的是 踝關(guān) 節(jié)， 膝關(guān) 節(jié)， 髖 關(guān)節(jié)的彎曲 /伸展 （ 18， 19-21， 圖 。 踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)都 需要 大量 的能 量因 此需 要進(jìn) 行 驅(qū) 動(dòng)。 在行 走過 程中 膝關(guān) 節(jié)需 要 的主要是負(fù)面功率 （ 它吸收功率 ）然 而， 當(dāng)上 臺(tái)階 和斜 坡， 或蹲 的 時(shí)候 ， 膝關(guān)節(jié)便成為了為系統(tǒng)增加驅(qū) 動(dòng) 能 量 的 關(guān) 鍵 23(圖 因此，膝關(guān)節(jié)也需要驅(qū)動(dòng)。除了彎曲 /伸展關(guān)節(jié) ， 髖關(guān)節(jié)外展 /內(nèi) 收 在 行 走 過 程 中 也 需 要 大 量的能量， 因?yàn)樗峁┙o了側(cè)向平衡力量 ;因此 ,伯克利負(fù)重器的髖關(guān)節(jié)外展 /內(nèi)收關(guān)節(jié)需要驅(qū)動(dòng) 。 根據(jù)適配器的數(shù)據(jù) ， 其他的自由度 （ 髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn) ， 踝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn) ， 和踝關(guān)節(jié)的 外 展 /內(nèi) 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(qū) 動(dòng) （ 圖 。 圖 了 伯克利負(fù)重器所有的自由度 ， 并指出其中哪些關(guān)節(jié)是需要驅(qū)動(dòng)的 。 而那些 不 需 要 驅(qū) 動(dòng) 的 關(guān) 節(jié) 可 能 會(huì) 有 彈簧 ， 或其他阻抗 ， 以減少對人體肌肉的負(fù)載和增加舒適度。 機(jī) 構(gòu) 的 選 擇 伯克利負(fù)重器是完全自主的， 自己攜帶自己的電源 ,因此在執(zhí)行任務(wù)期間節(jié)能是關(guān)鍵 。 我們竭盡全力保持外骨骼的腿和致動(dòng)器 ， 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 重量輕 ， 以減少外骨骼對能量的消耗。此外，該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功率效率是至關(guān)重要的。 液壓執(zhí)行器有較高的功率系數(shù) （ 電源執(zhí)行機(jī)構(gòu)的重量比 ） ， 因此執(zhí)行器最小化的設(shè)想得以成為可能 。 此外 ， 在很大程度上是由于液壓油導(dǎo)的不可壓縮性導(dǎo)致了一個(gè)相對較高的控制帶寬 。 然而 ， 液壓系統(tǒng)可能會(huì)在它的伺服閥上浪費(fèi)大量的功率 ， 因?yàn)樵偻ㄟ^伺服閥的時(shí)候壓力會(huì)產(chǎn)生較大的下降 。 伯克利負(fù)重器主要使用線性液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)因?yàn)樗w積小 ， 重量輕 ， 高功效 。 回轉(zhuǎn)液壓執(zhí)行器通常要么內(nèi)漏 要 么 會(huì) 有 大 量 的 摩 擦 。 假 設(shè) 供 應(yīng) 壓 力 為 （ 1000磅 ） ， 伯 克 利 負(fù) 重 器的 執(zhí) 行 器 的 尺 寸 大 小 足 以 根 據(jù) 的 數(shù) 據(jù) 提 供 關(guān) 節(jié) 所 需 力 矩 24。 伯 克 利負(fù)重器的所有關(guān)節(jié)使用 的孔 ,雙作用線性活塞缸 。 一旦為了確保必須的運(yùn)動(dòng)范圍 表 1和必須的轉(zhuǎn)矩 24而選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸和安裝位置時(shí)，關(guān)節(jié)的速度數(shù)據(jù)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(fù)重器的電源在任何時(shí)候都會(huì)為伺服閥提供值恒定為 1000磅 ）的壓力 ， 而不管執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需要的力和速度 。 因此 ， 每一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平均液壓動(dòng)力都取決于平均流速和平均壓力的乘積 。 對于伯克利負(fù)重器來說在行走過程中它的踝關(guān)節(jié) ， 膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的彎曲 /伸展關(guān)節(jié)平均需要 24。因?yàn)槌诵凶咭酝?還有其他的運(yùn)動(dòng)并且還要考慮到髖關(guān)節(jié)的外展 /內(nèi)收執(zhí)行機(jī)構(gòu)所以還必須額外附加一個(gè) 540瓦的液壓力 。 選擇 4路 ， 雙級(jí) 的伺服閥來控制執(zhí)行機(jī) 構(gòu) 是 因 為 它 的 高 帶 寬 ， 高 流 量 ， 低 電 力 要 求 。 這 些 閥 門 每 一 個(gè) 大 約 需 要 28因此八個(gè)閥門總共需要消耗 224瓦的電能。對于一個(gè) 75公斤的伯克利負(fù)重器 （ 包括有效載荷 ） 以 秒 的速度行走全部大約需要 或 10的安全系數(shù)）的液壓 動(dòng)力 24 克 利 負(fù) 重 器 的 設(shè) 計(jì) 圖 簡要的介紹了伯克利負(fù)重器的主要部件 ） 。 下面的章節(jié) (論了主要部件的關(guān)鍵特性 。關(guān) 節(jié)的 設(shè)計(jì) 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 關(guān) 節(jié) 為 負(fù) 載 提 供 大 量的 力 和 離 軸 彎 矩 ， 但 卻 擁 有 一 個(gè) 修 長 的 輪廓 ， 不 休 息 ,低 摩 擦 。 如 圖 。 10所 示 ， 聯(lián) 合結(jié)構(gòu)也擁有一個(gè)編碼器來保護(hù)傳感器 。 兩個(gè)全套飛機(jī)軸承（徑向額定負(fù)荷 的間 距 為 ， 拆 開 來 處 理 力 和 離 軸 彎 矩作用 。 所有可驅(qū)動(dòng)的伯克利負(fù)重器的關(guān)節(jié)是都是相同的，除了他們的驅(qū)動(dòng)器安裝位置 。 克 利 負(fù) 重 器 的 腳 部 是 一 個(gè) 重 要 的 組成部分，因?yàn)槠渚?備多種功能 :它 將 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 重 量 轉(zhuǎn) 移 到 地 面上 ， 所以它必須有結(jié)構(gòu)上的完整性和在周期性的力量存在環(huán)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(qiáng)加在人體上的話將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)不自然的行走并且會(huì)有不適當(dāng)?shù)牧ψ饔迷诓僮髡呱砩稀?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(jié)構(gòu) 。對 于伯克利負(fù)重器的控制系統(tǒng)來說這個(gè)信息是必要的 17。它可以測量人體的負(fù)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(fù)重器的控制系統(tǒng)。 如 圖 11所 示 ， 腳 的 主 體 結(jié) 構(gòu) 有能 夠 將 負(fù) 荷 轉(zhuǎn) 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(gè) 約 束 力 牢 牢 地 連 接 在 了外骨骼的腳部 。 沿腳的底部 ， 開關(guān)可以檢測到腳與地面接觸的部分 。 為了達(dá)到堅(jiān)固性 ， 這些開關(guān)被制造成一個(gè)橡 膠 底 的 。 圖 11說 明 的 是 負(fù) 荷 分 配傳感器 ， 填充在人體腳部和外骨骼腳部主要結(jié)構(gòu)兩者之間的是一個(gè)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(zhuǎn)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。 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 小 腿 和 大 腿 的 主要 功 能 是 結(jié) 構(gòu) 支 撐 和 將 彎 曲 /伸 展 關(guān) 節(jié) 連接 在 一 起 （ 圖 12和 圖 13） 。 無 論 是 小 腿和大腿都被設(shè)計(jì)為可調(diào)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(dòng)然后鎖定在所需要的長度。 為了盡量減少液壓工作路線 ， 設(shè)計(jì)了一個(gè)專門控制 在閥門 ,致動(dòng)器 ,供應(yīng) ,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(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的液壓距離 ， 最大限度地提高執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能 。 執(zhí)行器 ， 分水器 ， 踝關(guān)節(jié)的閥門都安裝在小腿上，而制動(dòng)器 ， 集成塊 ， 膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的閥門都在安裝在大腿上 。 一個(gè)集合管裝在膝關(guān)節(jié)的執(zhí)行器上，為膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的致動(dòng)器提供液壓油路。 圖 14所示，伯克利負(fù)重器的軀干連接至臀部結(jié)構(gòu)（如圖 13所示）。 電源 ，控制計(jì)算機(jī) ， 有效載荷都安裝在軀干的后面。 圖 14也說明了執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門和髖關(guān)節(jié)眾多的 外展 /內(nèi)收關(guān)節(jié)。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(yuǎn) 程 I/用 于 獲 取 傳 感 器 的 所 數(shù) 據(jù) ， 于 控制 計(jì) 算 機(jī) 進(jìn) 行 通 信 （ 稱 為 主 管 I/O、 模塊或 25。 一些 在圖 14上做出了說明。操 作 者 在 使 用 過 程 中 都 會(huì) 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(gè)剛性附著點(diǎn) 。 一般情況下 ， 安全帶由一個(gè) 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(dān)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(shù)運(yùn)動(dòng)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(jī)器之間傳輸?shù)牡呢?fù)載，但是隨著控制器的發(fā)展，安全帶 需要承受任何可能的負(fù)荷。 。 16顯 示 了 當(dāng) 前 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 設(shè) 計(jì) 。 黑 背 包 包 住 電 源 ， 電 腦 控 制 器 ，有效載荷。 但是伯 克 利 負(fù) 重 器 已 經(jīng) 一 邊 攜 帶 自 身 的 重 量一邊自己產(chǎn)生動(dòng)力的成功行走了 。 這使得伯 克 利 負(fù) 重 器 成 為 了 第 一 個(gè) 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(fù) 重 器 已 經(jīng) 被 證 實(shí) 可 以 支 持 多 達(dá) 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(yàn)證明無需任何 人為傳感或編程的運(yùn)動(dòng) ， 伯克利負(fù)重器就可以尾隨操作者的行動(dòng)。 當(dāng) 前 對 伯 克 利 負(fù) 重 器 的 研 究 工 作 主要 是 研 究 預(yù) 測 和 實(shí) 測 的 性 能 數(shù) 據(jù) 之 間 的差異性和分析提高系統(tǒng)效率的方法 。 外 骨骼的運(yùn)作是一個(gè)測試當(dāng)前和未來外骨骼的新型傳感器 ， 驅(qū)動(dòng)方案 ， 和控制方案的極好的平臺(tái) 。 希望能不斷改善系統(tǒng)的適應(yīng)能力 ， 伯克利負(fù)重器將會(huì)成為一款通過提高人體的承載能力和持續(xù)通過惡劣環(huán)境的能力的實(shí)用的裝備。參考文獻(xiàn)1人 體 擴(kuò) 展 器 要關(guān)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，測量和控制） j，第 115期 ,第 2號(hào) (B),1993年 6號(hào)。2“ 通過能量和信息信號(hào)的傳遞的人機(jī)交互作用 ” 2號(hào)， 1990年 3月。3 人類可穿戴的機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和控制學(xué) ” ， 主要關(guān)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng) ， 測量和控制 ） ， 第 3期 ， 第 2791991年 9月。4“ 加州大學(xué)伯克利分校的人體能力放大技術(shù) ” ， 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