最新伯克利下肢外骨骼BLEEX的机械学设计.docx
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最新伯克利下肢外骨骼BLEEX的机械学设计
伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计
伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计
AdamZoss,H.Kazerooni,AndrewChu
DepartmentofMechanicalEngineering
UniversityofCalifornia,Berkeley,CA,94720,USA
exo@berkeley.edu,
摘要：
第一种能携带负载的高效自主式下肢外骨骼已经在加州大学伯克利分校被展示出来。
这篇文章概括了伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计。
基于拟人化的BLEEX每条腿有七个自由度，其中的四个由直线液压驱动器驱动。
描述了自由度的选择以及运动范围。
另外，文章还包含了BLEEX主要部件方面的重要设计。
关键词：
BLEEX，外骨骼，可穿戴式机器人，机械设计，步行
Ⅰ.引言
重物通常由轮式交通工具运输。
然而，很多环境例如岩石地形和阶梯，给轮式交通工具带来巨大的困难。
因此，在这些环境中，步行就成为一种有吸引力的运输方式，因为腿能适应各种极端地形。
伯克利下肢外骨骼（通常称为BLEEX）是第一款由操纵者穿戴的野战用机器人系统，它能为其操纵者提供在任何类型的地形下付出极小努力背负载荷的能力。
BLEEX是由两个动力拟人的腿、一个电源和一个可安装各种重载的背包式框架组成（图1）。
BLEEX通过人机交互引导腿的运动提供携带负载的能力，摒弃了主动驱动，BLEEX伴随操纵者的运动就像它是一对人工腿一样被他/她“穿戴”。
通过将机器人的力量与智能导航、人的适应能力相结合，BLEEX允许重物在崎岖、松散和未知的地形中运送。
外骨骼通常指包含上肢或下肢或两者兼备的系统。
BLEEX项目仅仅着眼于
图1下肢外骨骼的概念图。
正确活动的机器腿从穿戴者身上转移走载荷
的重量，同时使穿戴者能够轻松地控制和平衡机器。
下肢外骨骼。
上肢外骨骼通常被用来操作重物，常用在仓库、生产设备和配送中心（如[1]-[4]）。
下肢外骨骼通常被用来长途携带重物（通常是户外）和不适合轮式交通工具通行的小路上。
在一个可以使用轮式交通工具或者距离短到可以使用桥式起重机的环境下使用下肢外骨骼是不实用的。
下肢外骨骼最适合沿松散的户外小路携带重物。
BLEEX有很多用途，它可以为士兵、救灾人员、野战兵，以及其他紧急救援人员提供携带重要物品，如食品、救援装备、急救用品、通讯设备和武器的能力，通常与要求高的工作所相关的高要求无关。
我们的目标是BLEEX将为关键任务设备提供一个多用途传输平台。
Ⅱ.背景
第一个能动的外骨骼在20世纪60年代末和70年代初诞生于通用电气（GE）和贝尔格莱德的MihajloPupin研究所。
在通用电气的哈迪曼项目[5]是一个采用主从式控制系统、重达680公斤的大型全身式外骨骼。
安全性和复杂性问题使其永远无法走路，甚至连稳定移动它的腿都不能。
贝尔格莱德外骨骼是一个旨在帮助截瘫患者恢复的真人大小的下肢机器人[6]。
和哈迪曼项目一样，它连自身的电源都带不动。
贝尔格莱德外骨骼只能遵循预先设定的步行运动，这极大地限制了它的用途。
然而，这个项目所提出的零力矩点控制理论仍然应用在类人机器人上。
1970年的尝试以后，相对很少有人深入研究下肢外骨骼。
加州大学伯克利分校在1993年所作的一个项目是电力补充[1]。
类似于哈迪曼项目，这种全身式骨骼采用电驱动增强人的能力。
虽然伯克利项目采用力传感器来检测和增强人的力，但是在步行方面只获得有限的成就。
进入21世纪，外骨骼的研究开始复苏。
在日本，神奈川技术研究所开发出一种全身“可穿戴动力服”，采用独特的气动执行机构驱动[7]。
它的三个执行机构（膝、腰、肘）上的力通过测量相对应的人体肌肉的硬度来控制。
有限的驱动和缺乏便携式电源限制了这种外骨骼的应用。
HAL是日本筑波大学研制的轻型动力辅助装置[8]。
HAL通过采用位于人腿部的肌电传感器和地面反作用力传感器控制位于膝盖和髋关节的电动执行机构。
这种外骨骼采用便携式电源，但它只能辅助操纵者的腿部肌肉，不能携带外部负载。
仍然在开发中的其他一些下肢外骨骼旨在帮助残疾人（[9]-[11]）。
除了外骨骼，其他一些有效的下肢设备也同样值得关注。
Lokomat是一种现代化的康复设备，用来训练下肢的运动（[12]和[13]）。
取代了携带的负载，机器人的躯干固定在座上并沿着预定的轨迹移动操纵者的脚。
Lokomat作为一款成功的产品，也面临同样的困难，虽然它不属于外骨骼。
由Yobotics开发的RoboKnee，是一种动力型膝关节矫形器，用来提高操纵者在行走时的力量和耐力[14]。
RoboKnee利用地面反作用力来估算所需的膝关节扭矩。
另外，日本北海道大学的研究人员正在为腰部设计一种动力辅助装置[15]。
在大腿和躯干连接，该装置采用肌电传感器控制其电动马达。
一些其他种类的矫形器的也正在开发之中，如采用气动肌肉驱动的踝关节矫正器[16]。
伯克利下肢外骨骼（BLEEX）项目已经开发了一种高效自主且能携带自身重量以及外部负载的外骨骼。
所有以前的外骨骼不是连接着一个固定的电源就是没有强大到足以携带外部负载。
此外，与矫形器和支架不同的是BLEEX将负载施加的力转移到地面上，而不是穿戴者身上。
为了防止步行外骨骼的设计所固有的复杂性，BLEEX项目开发了一种新的控制方案，从而忽略了人或人机交互之间的测量误差。
Ⅲ.外骨骼的控制
BLEEX的控制算法确保了外骨骼能以很小的相互作用力伴随操纵者。
此外，控制方案需要在操纵者或者与操纵者相接触的外骨骼（例如两者没有力传感器）上没有直接测量；相反，控制器只基于在外骨骼上的测量结果来判断在控制器感知到很小的力时如何移动[17]。
这种控制方法消除了相互作用力或人体肌肉活动所产生的测量误差。
BLEEX控制的基本原则是基于外骨骼需要迅速响应穿戴者自主和不自主的动作，不得有延迟这一概念。
这需要作用在外骨骼上所有的力和力矩控制器具有高级别的灵敏度。
BLEEX通过只从BLEEX本身测量变量来增加闭环控制系统对操纵者的力和力矩的灵敏度[17]。
BLEEX的控制算法仍然有两个很现实的问题。
首先，对外力具有极高灵敏度的外骨骼响应外力而不管它是否来自操纵者。
例如，如果有人推一个具有较高的灵敏度外骨骼一下，它就会动起来就好像这个力来自它的操纵者。
使外骨骼具有稳定性并防止其因响应外力而跌倒的关键取决于操纵者通过迅速移动（如后退或侧身）为自己和外骨骼提供一个稳定位置的能力。
为此，外骨骼需要一个很宽的控制带宽，以便能够同时响应操纵者自主和不自主的动作（即反射）。
第二个问题，这种控制方法所具有的鲁棒性参数变化不大，因此系统需要一个相对较好的动态模型[17]。
Ⅳ.结构设计
下肢外骨骼设计的基础是选择腿的整体结构。
关节和肢体的很多不同布局可以结合起来形成一个有功能的腿，但任何结构一般可分为几类之一：
A．拟人结构
拟人化结构企图完全匹配人的腿（图2）。
通过运动学匹配人体的自由度和肢体长度，外骨骼腿的姿态准确地模仿人腿的姿态。
这大大简化了很多设计问题。
例如，人们就没有必要考虑人和外骨骼碰撞的问题。
然而，一个严重的问题就是，在一般技术状态下关节的设计不可能完全复制人腿的关节。
例如，人的膝关节不可能变现为单一的旋转，复制其所有的运动将导致机械装置的复杂化（也许不健全）。
这一结构另一个值得关注的问题是，外骨骼肢体长度必须等于人肢体的长度。
这意味着对于不同的操纵者来穿戴外骨骼，几乎所有外骨骼肢体必须具有高度可调性。
一般而言，拟人化结构被错误地认为是最好的选择，因为它允许外骨骼适应操纵者所有方面的需求。
图2拟人化结构（左）和非拟人化结构（右）的示例
B．非拟人结构
虽然在外骨骼设计中不常用，很多非拟人化设备却是非常成功的，例如自行车。
非拟人化结构为腿的设计开创了广泛的可能性，只要外骨骼没有干扰或限制操纵者（图2）。
往往开发一种与人腿明显不同却依然能够移动脚完成所有必须动作的结构是非常难的（例如在狭窄的拐角中转弯和深蹲）。
由于必须防止外骨骼强迫操纵者到达一个他们不可能到达的位置，因此安全问题在非拟人结构的设计中变得越来越突出。
这种结构的另一个问题是，由于外骨骼关节和人的关节没有处在相同的位置，外骨骼腿很可能会与人的腿或外物发生碰撞。
C．伪拟人化
为了获得最大的安全性和与环境最小的碰撞，BLEEX项目选择的体系结构几乎是拟人。
这意味着BLEEX腿的运动学规律类似于人的，但不包括人腿所有的自由度。
此外，BLEEX的自由度都是单一的旋转关节。
由于人和外骨骼的腿的运动学不尽相同（只是类似），人和外骨骼只是在四肢（脚和躯干）刚性地连接着。
由于运动学的差异，任何其他的刚性连接都会将巨大的力强加在操纵者身上。
但是，柔性的连接则允许人体和外骨骼之间存在可以容忍的相对运动。
不完全匹配人体运动学的另一种好处是，BLEEX比较容易满足各种操纵者的尺寸。
Ⅴ.自由度
由于BLEEX是伪拟人化，它的髋关节、膝关节和踝关节类似于人的，但是这些关节在细节上不同于人体的。
BLEEX每条腿总共有七个自由度：
●髋关节上有三个自由度
●膝关节上有一个自由度（矢平面单一旋转）
●踝关节上有三个自由度
人体的髋关节是一个三自由度的球窝状关节[18]。
这就很自然的设计了一个有三个自由度的外骨骼髋关节，使其所有三个旋转轴穿过人的球窝状髋关节。
但是，通过一些模拟试验的设计，我们了解到，这些设计存在有限的运动范围而且在人髋关节的一些姿势中产生奇点。
因此，位于髋部转动双腿的关节被设计为人背后的单轴旋转，如图3所示；因此它不再通过人的髋关节。
此外，一种可供替代的旋转关节被直接加在外骨骼腿上，目的是为了测试。
髋外展/内收和弯曲/伸展轴都穿过人体髋关节。
图3BLEEX髋关节自由度（从背面看）。
虽然外展/内收和屈曲/伸展轴都通过
人体髋关节的中心，但旋转轴不通过。
位于两个外展/内收轴之间的可调节
托架，可更换以适应不同宽度的穿戴者。
人体的膝关节是一个在股骨和胫骨之间的作滚动和滑动的复杂组合体，当膝盖弯曲的时，它允许关节的旋转中心移动[18]。
为BLEEX的膝盖选择单一的旋转关节将导致简单性和鲁棒性，除了更为简单直接的动态建模，还将导致外骨骼的膝盖不同于人体的膝盖。
此外，BLEEX的膝盖不具备人体膝盖“锁定”腿的能力，因为它没有能移动的转动中心。
类似于人体的踝关节，BLEEX的踝关节也有三个自由度。
其弯曲/伸展轴与人踝关节的弯曲/伸展轴一致。
为了简化设计，BLEEX踝关节上的外展/内收和旋转轴不通过人的脚并且位于人脚外侧的一个平面（如图4）。
一个额外的自由度被添加到BLEEX的脚上。
外骨骼脚的前部和操纵者脚趾的下面允许外骨骼的脚和人脚一起弯曲（见第IX.B）。
Ⅵ.运动范围
BLEEX的运动学类似于人体的运动学，所以BLEEX的关节的运动范围可以通过研究人体的关节的运动范围确定。
至少，在行走时BLEEX关节的运动范围应等同于人的（如表1第1栏所示），这可以通过研究临床步态分析（CGA）的数据（[19]-[21]）获得。
出于安全考虑，BLEEX的运动范围不应该大于操纵者的运动范围（如表1第3栏所示）[22]。
对于每一个自由度，表1第2栏列出了BLEEX的运动范围，一般来说，它应该比人在行走时的运动范围大且比人体运动的最大范围小。
理想情况下，为了获得最具机动性的外骨骼，我们渴望拥有一个运动范围稍微小于人体最大运动范围的系统。
然而，由于BLEEX使用了直线驱动器（见第Ⅷ节），因此一些关节的运动范围被减小以阻止驱动器的运动轴通过关节的中心。
如果这没有被阻止，关节就可以到达一个驱动器无法在这个关节上产生力矩的位置。
此外，所有关节的运动范围都在模型测试进行了测试和修改（如图5）。
例如，实体模型测试显示BLEEX踝关节的弯曲/伸展运动范围需要比人体踝关节的运动范围更大，来适应BLEEX的脚不能产生人的脚上小范围的自由度。
图4BLEEX踝关节自由度。
只有屈曲/伸展轴穿过人体的踝关节。
外展/内收和旋转轴不受驱动，但配有适当的阻抗。
人步行时的
最大值
BLEEX的最大值
男性军人平均最大值
踝关节弯曲
14.1°
45°
35°
踝关节伸展
20.6°
45°
38°
踝关节外展
无效
20°
23°
踝关节内收
无效
20°
24°
膝关节弯曲
73.5°
121°
159°
髋关节弯曲
32.2°
121°
125°
髋关节伸展
22.5°
10°
无效
髋关节外展
7.9°
16°
53°
髋关节内收
6.4°
16°
31°
外侧完全旋转
13.2°
35°
73°
内侧完全旋转
1.6°
35°
66°
表1BLEEX关节的运动范围
图5BLEEX用于测试和调整自由度、活动范围和人体工程学的实体模型。
这些样机采用熔融沉积成型（FDM）制造。
Ⅶ.驱动哪些关节？
BLEEX的每条腿都有七个自由度（算上脚趾的弯曲有八个），但如果选择都驱动则会导致不必要的高功耗和控制的复杂性。
因此，只有那些需要大量功率的才应该被驱动。
首先，驱动器主要被设计为步行，所以临床步态分析数据可以用来确定步行时哪些自由度消耗功率。
正如所想，总量最多功率消耗在在脚踝、膝盖和髋部的弯曲/伸展上（[18]，[19]-[21]，图6）。
脚踝和髋部都需要大量的正功率，因此需要被驱动。
步行时膝盖需要的主要是负功率（它吸收功率）；然而，当上台阶和斜坡或者下蹲时，膝盖则成为为系统增加正功率的关键[23]（图7）。
因此，膝关节也需要被驱动。
除了弯曲/伸展关节，髋部的外展/内收在行走需要主要的功率，因为它提供了横向平衡力，因此，BLEEX髋部的外展/内收关节需要被驱动。
根据临床步态分析数据，其他的自由度（髋部旋转，脚踝旋转及脚踝的和外展/内收）在行走时都消耗非常少的功率，因此不需要被驱动（图6）。
图8总结了所有为BLEEX选择的自由度，并指出其中哪些关节需要被驱动。
未被驱动的关节仍可能有轴承或其他阻抗，以减少作用在人体肌肉上的载荷来增加其舒适度。
图6步行时人体功率需求。
最需要功率的是脚踝、膝盖和髋部的屈曲/伸展关节。
除了这些关节，髋外展/内收关节其次最需要功率。
[18]
图7上下楼梯时膝关节功率需求。
上楼梯时膝盖需要大量的功率
（而不是像它在水平步行时吸收功率）[23]。
图8BLEEX的自由度
Ⅷ.驱动器的选择
BLEEX是完全自主的，携带有自己的电源，因此在任务期间节电很关键。
尽一切可能来使外骨骼腿、驱动器具有紧凑的结构和较轻的重量，以减少外骨骼的能量消耗。
此外，该驱动系统的功率效率是至关重要的。
液压驱动器具有较高的比功率（功率与驱动器的重量比），因而是可供选择的最小的驱动。
此外，液压机液体所具有的高不可压缩性会产生相对较高的控制带宽。
然而，由于通过伺服阀会产生很大的压降，液压系统可能在其伺服阀上损失大量的功率。
BLEEX之所以选用直线液压驱动，主要是因为其具有小巧的尺寸、轻质和大力的性能。
回转液压驱动器通常不是有内部泄漏就是有相当数量的摩擦。
假设施加6.9兆帕（1000psi）的压力，BLEEX驱动器所提供关节力矩的大小见临床步态分析数据[24]。
BLEEX上所有的关节都使用19.05毫米（0.75英寸）口径的双向直线液压驱动器。
一旦驱动器的大小和安装位置被确定下来以满足所需的运动范围[表1]和力矩[24]后，关节的速度数据则被用来确定步行时流体的平均速度。
不管驱动器需要多大的力和速度，BLEEX内置的功率源都向伺服阀持续输出6.9兆帕（1000psi）的压力。
因此，每个驱动器的平均液压功率等于平均流速乘以所受的压力。
对于BLEEX，在步行时其踝关节、膝关节和髋部弯曲/伸展关节需要平均1.3千瓦的液压功率[24]。
另外，除步行之外的运动以及髋关节的外展/内收驱动器需要额外540瓦的液压功率。
为控制驱动器而选用四通道、双级伺服阀是由于其具有高带宽、高流速和低电力需求的优点。
这些阀门均需要大约28瓦的液压功率，所以8个阀门总共需要224W。
使75公斤重的BLEEX（包含有效载荷）在1.3米/秒的速度下行走所需的液压总功率大约为2.27千瓦，或3.0马力（含10％的安全系数）[24]。
Ⅸ.BLEEX的设计
图9是BLEEX的整体模型（简化以强调主要组件）。
以下（A-E）各节讨论主要组件的关键特征。
图9BLEEX的模型（简化以突出主要组件）
A．受驱动关节的设计
BLEEX的关节承受了负载施加的较大的力和偏轴矩，仍然具有小断面、无间隙和低摩擦的特性。
如图10所示，关节结构装有编码器，以保护传感器。
间距为2.5厘米的两个满装航空轴承（径向额定载荷30.6千牛）来处理力和偏轴矩。
BLEEX所有受驱动的关节除驱动器的安装位置外都是相同的。
图10BLEEX关节的设计。
BLEEX所有受驱动关节的设计都具有高精度来克服
巨大的偏轴矩以及显示隐藏在关节编码器中的微量摩擦。
B．脚的设计
BLEEX的脚是一个很重要的组件，是因为它具有以下功能：
●它将BLEEX的重量传递到地面上，因此它必须在周期性环境力的作用下具有结构完整性和长寿命。
●这是人体与外骨骼刚性连接的两个位置之一，因此它对操纵者必须是舒适的。
人体上不舒适的连接会导致不自然的步态和多余的力作用在操纵者身上。
●它确定脚的压力中心的位置，进而确定脚相对与地面的位置。
这是BLEEX的控制所必需的信息[17]。
●它确定人的载荷分布（每条腿承担人体多少重量），这也应用在BLEEX的控制中。
如图11所示，脚的主体结构包含将载荷转移到地面上的硬脚跟和提高舒适度的柔韧脚趾。
操纵者的靴子刚性地连接在外骨骼脚的顶端，借此快速释放约束力。
沿着脚的底部，转换器检测脚的哪部分与地面接触。
为了坚固耐用，这些转换器被塑封在一个特制的橡胶鞋垫里。
图11所展示的还有载荷分布传感器，这是夹在人的脚和外骨骼脚的主要结构之间的一个充满液压油的橡胶“压力管”。
只有人体的（不是外骨骼）重量才能传送到压力管并被传感器感知。
控制算法利用这种传感器来检测相对于右腿人将多少体重分配到左腿上。
图11BLEEX脚的设计（爆炸视图）
C．小腿和大腿的设计
BLEEX小腿和大腿的主要作用是结构支撑和连接弯曲/伸展关节（图12和图13）。
小腿和大腿都被设计成可调节的，以满足占人口比5%至95%的人，它们由两个相对可滑动的部件组成，可以锁定在所需的长度。
为了将液压路线缩减到最小，歧管被设计成给流体在阀门、泵体、供给装置和回路之间规划路线。
这些歧管被直接安装在泵体上以减少阀门和驱动器器之间的液压距离，最大限度地提高驱动器的性能。
踝关节上的驱动器、歧管以及阀门安装在小腿上，而膝关节和髋关节上的驱动器、歧管以及阀门则安装在大腿上。
安装在膝关节上的一个歧管，规定了液压油在膝关节和髋关节驱动器之间的路线。
图12BLEEX小腿的设计
图13BLEEX大腿的设计
D．躯干的设计
如图14所示，BLEEX的躯干连接在髋部结构上（如图3所示）。
电源、控制计算机和负载安装在躯干的背面。
图14还展示了了髋外展/内收关节上的驱动器、阀门。
安装在躯干上的一个倾角仪为控制算法给出了可供参考的绝对角度。
图14BLEEX躯干设计（后视图）
特制电路板（称为远程I/O模块或RIOMs）用于获取传感器的所有数据并与控制计算机（称为监视器I/O模块或SIOMs）交互[25]。
图14还展示了其中的一些RIOMs和SIOMs一块被附加到BLEEX的躯干上。
躯干的前端装有一个可由操纵者穿戴的背带。
背带（图15）是第二个与操纵者刚性连接的点。
一般情况下，背带由一个可连接到躯干上的弧形刚性背板组成。
它也包括能将操纵者系牢并能分散任何施加在操纵者躯干、胸部、肩膀和上背部的力的较为舒适的背包式背带。
很多背带被开发是为了为操纵者创造最高的舒适度。
和大多数领域的背带不同，外骨骼的背带必须能分散任何方向的力和力矩。
理论上，在理想的控制下，只需要转移操纵者与机器之间的平衡负载，但随着控制器的发展，背带需要承受任何可能的负荷。
图15BLEEX背带示意图
E.完整方案
图16展示了现行BLEEX的设计。
黑色的背包装有电源、控制计算机和负载。
图16BLEEX完整的方案
尽管仍然有重要的工作要做，BLEEX已经能承受其自重并在自己提供动力的情况下成功地步行。
这使得BLEEX成为第一种具有携带负载能力的高效自主式下肢外骨骼。
目前，BLEEX已经被证实在没有任何人工干预或预定运动方案的情况下，支持最多75公斤（外骨骼重量+有效载荷），以1.3米/秒的速度步行并伴随操纵者完成各种动作。
对于BLEEX而言，当前的工作包括研究预测和实测性能数据之间的差异和提高系统效率的分析方法。
能工作的外骨骼对于当前和未来的外骨骼研究来说是一种用于测试新型传感器、驱动方案极佳的平台。
如果能顺利改进系统的实用性，BLEEX将成为提高人类在恶劣环境中承载能力和耐力的实用方法。
参考文献
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