伯克利下肢外骨骼(BLEEX)的机械学设计

-1-伯克利下肢外骨骼（BLEEX）的机械学设计AdamZoss,H.Kazerooni,AndrewChuDepartmentofMechanicalEngineeringUniversityofCalifornia,Berkeley,CA,94720,[e-mail],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。-2-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-3-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。-4-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-5-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。-6-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。表1BLEEX关节的运动范围人步行时的最大值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