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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）克利，加拿大， 94720， 美 國(guó)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(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)。 簡(jiǎn) 介 運(yùn)送重型物體通常使用輪式 車(chē)輛 。 然而許多環(huán)境如巖石地形和樓梯 ， 便對(duì)輪式車(chē)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(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(lèi)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(guò)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(chē)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(guò)結(jié)合機(jī)器人的承載能力與人類(lèi)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(guò)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(chē)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(wèn)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(lèi) 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(lèi) 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(lèi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(kāi) 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(lèi) 似 于 戰(zhàn) 。 的在加強(qiáng)穿戴者在行走過(guò)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(kāi)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(kāi)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(méi)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(wèn)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(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(méi)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(guò)程中產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)性問(wèn)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(guò) 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(wèn)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(wèn)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。 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(lèi)別 : 人 化 方 案 試 圖 使 構(gòu) 架 完 全 匹 配人類(lèi)的腿 （ 圖 2） 。 通過(guò)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(wèn)題。例如對(duì)于人 /外骨骼的碰撞這個(gè)問(wèn)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(lèi) 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(lèi)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。 然不 同于 常見(jiàn) 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(chē) 。 非擬人化構(gòu)架為腿的設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)發(fā)一種不同于人腿但是卻依舊可以通過(guò)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(wèn)題變得更加突出 。 這種體系結(jié)構(gòu)的另一個(gè)問(wèn)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(lèi)似于人類(lèi)的腿 ， 但不包括人類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(lèi) 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(guò) 人 體 中 類(lèi) 似 于球和插座的 髖 關(guān)節(jié)這個(gè)條件。然而 ，通過(guò)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(guò)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(guò)人體髖關(guān)節(jié)。人類(lèi)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(wèn)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 ， 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(jiǎn)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(guò) 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(jiàn)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(guò)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(guò)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 ， 見(jiàn)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(guò)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(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(lèi) 腳 的 自 由 度 較 小 ， 無(wú) 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(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 。 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(guò) 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(guò) 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(guò) 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(duì)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(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^(guò)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(lái)確定在行走過(guò)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(duì)于伯克利負(fù)重器來(lái)說(shuō)在行走過(guò)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?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 為 它 的 高 帶 寬 ， 高 流 量 ， 低 電 力 要 求 。 這 些 閥 門(mén) 每 一 個(gè) 大 約 需 要 28因此八個(gè)閥門(mén)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 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(jiǎn)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(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 的間 距 為 ， 拆 開(kāi) 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 。 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 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(guò) 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(kāi)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(kāi)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。 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(zhuān)門(mén)控制 在閥門(mén) ,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(mén) 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(mén)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(mén)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(shuō)明了執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥門(mén)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 在圖 14上做出了說(shuō)明。操 作 者 在 使 用 過(guò) 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。 。 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(guò)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(guò)提高人體的承載能力和持續(xù)通過(guò)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(cè)量和控制） j，第 115期 ,第 2號(hào) (B),1993年 6號(hào)。2“ 通過(guò)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 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