外文翻譯--美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校的下肢外骨骼 中文版

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美國(guó)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） H. 械工程系 加州大學(xué)，伯克利，加拿大， 94720，美國(guó) —— 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(guó)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(duì)自由度的選擇以及運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行了描述， 此外對(duì) 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)。 1. 論文簡(jiǎn)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(duì)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?yàn)橥冗m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(chǎng)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)。 . 伯克利負(fù)重器 通過人際互動(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(duì)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(cāng)庫(kù)，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(zhǎng)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)。 2. 背景 第一個(gè)活動(dòng)外骨骼出現(xiàn)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(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(wú)法正常行走，甚至無(wú)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(lái)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(duì)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(guó)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(lái)增強(qiáng)人類的能力。伯克利項(xiàng)目采用力傳感器來(lái)檢 測(cè)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(lái)，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(cè)量人體肌肉相應(yīng)的硬度來(lái)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(lái)測(cè)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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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 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(lái)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。 3. 外骨骼的控制 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(lái)保證外骨骼契合操作者的運(yùn)動(dòng)。此外，這種控制方案無(wú)需對(duì)操作者進(jìn)行直接測(cè)量甚至不需要對(duì)外骨骼與操作者接觸的地方進(jìn)行測(cè)量（例如在兩者之間沒有力傳感器），取而代之的是只基于對(duì)外骨骼的測(cè)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(cè)量互動(dòng)力或者人體肌肉活動(dòng)在測(cè)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(duì)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(duì)外骨骼系統(tǒng)進(jìn)行變量測(cè)量就提高了閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)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(duì)外部力具有較高靈敏度的外骨骼在對(duì)外部力進(jìn)行回應(yīng)的時(shí)候無(wú)論這個(gè)力是不是來(lái)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(lái)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(duì)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(wú)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(duì)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]。 4. 結(jié)構(gòu)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(lái)，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 : A. 擬人化設(shè)計(jì) 擬人化方案 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(zhǎng)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(jiǎn)化了許多設(shè)計(jì)問題。例如對(duì)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(zhǎng)度必須等于人類肢體長(zhǎng)度。這意味著，對(duì)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(wú)論操作者是否有這種需要。 B. 非擬人化的結(jié)構(gòu) 雖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(lái) 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(wú)法控制但是會(huì)對(duì)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?yàn)橥夤趋狸P(guān)節(jié)不與人體關(guān)節(jié)位于同一個(gè)地方。 C. 偽擬人化 為了與外界環(huán)境之間保持最大的安全性和最小的碰撞， 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。 5. 自由度 由于 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(duì)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(shì)。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(lái)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(cè)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 擇一個(gè)純粹的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 將會(huì)使問題變得簡(jiǎn)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， 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(jiǎn)單化設(shè)計(jì)， 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 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(duì)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(duì)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， 用線性驅(qū)動(dòng)器（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)殛P(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)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(cè)試 期間都進(jìn)行了 測(cè)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(wú)法模擬伯克利負(fù)重器的腳。 7. 用什么關(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(duì)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(duì)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(lái)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 . 6）。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 . 7). 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 . 8總結(jié)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(duì)人體肌肉的負(fù)載和增加舒適度。 8. 執(zhí)行機(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(duì)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(duì)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?；剞D(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 帕 （ 1000 磅 ）， 伯克利負(fù)重器的執(zhí)行器的尺寸大小足以根據(jù) 中的數(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 米 (寸 ) 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(lái)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 帕（ 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(duì)于伯克利負(fù)重器來(lái)說(shuō)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 瓦的液壓力 [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?qǐng)?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(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)是因?yàn)樗?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(duì)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 瓦，或 力（含 10％的安全系數(shù)）的液壓 動(dòng)力 [24]. 9. 伯克利負(fù)重器的設(shè)計(jì) 圖 重器的整體模型（簡(jiǎn)要的介紹了伯克利負(fù)重器的主要部件）。下面的章節(jié) (A - E)討論了主要部件的關(guān)鍵特性。 A. 驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(lái)保護(hù)傳感器。 兩個(gè)全套飛機(jī)軸承（徑向額定負(fù)荷 間距為 開來(lái)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。 B. 腳部的設(shè)計(jì) 伯克利負(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(zhǎng)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(cè)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(duì)于伯克利負(fù)重器的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)這個(gè)信息是必要的 [17]。 ?它可以測(cè)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?qū)⒇?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(cè)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(shuō)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(cè)量。該傳感器使用的控制算法來(lái)檢測(cè)他們的左腿相對(duì)于他們右腿的地方有多少重量。 該伯克利負(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(wú)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(zhǎng)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。 D. 軀干設(shè)計(jì) 如圖 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(shuō)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(cè)斜儀為控制算法給出絕對(duì)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 圖 14上做出了 說(shuō)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(duì)于操作者來(lái)說(shuō)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(lái)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。 圖。 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。 雖然仍有重大的工作需要去做，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(wú)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(duì)伯克利負(fù)重器的研究工作主要是研究預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)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(cè)試當(dāng)前和未來(lái)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] H. 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