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人体骨骼的设计与控制方法
摘要
直接携带有效载荷是人类生活中不可避免的一个方面。人类的双足运动是不平等的:人们步行到几乎每一个地方。尽管轮式设备的效率和方便，但不均匀。但地形、封闭环境和可达性的限制几乎要求每一种交通工具任务要包括物质货物必须由人携带的阶段。直到今天，人工智能或编程行为也不能与人类在非结构化的现实环境中平衡和机动的能力相匹配。
伯克利下肢外骨骼解决了在身体上支撑和携带沉重负载的问题，并且允许一个人不受他们所携带的工资重量的影响而导航。伯克利下肢外骨骼是一种拟人化和能量自主的机器人装置，由两脚架，背包，吊带系统和控制计算机组成，可提供耐磨负载支撑平台.
本论文提出了一种称为灵敏度放大控制的控制方案，该控制方案使外骨骼能够支撑有效载荷，并以合理和不显眼的方式遮蔽佩戴者的运动。这里开发的控制算法增加了闭环系统对其佩戴者的力和扭矩的敏感度，而没有来自佩戴者的任何测量。这种策略需要一个精确的系统动态模型，但不需要直接测量人体。描述了由于模型参数变化而不具有测量人类行为的传感器和牺牲的鲁棒性之间的折衷。 也对控制器进行了修改，部分规避了这种限制。
第2章 人体生物力学
2.1人体解剖和生理学
生物力学文献使用通用术语来描述身体的形态。 当身体处于正交或“解剖位置”时，所有术语均指身体：站立直立，双臂向前，面向前方[21]。 身体被分成一组三个正交平面：正面（或冠状），横向和矢状（图2-1）。 中矢状平面也被称为中平面。 上位指朝向头部的方向（向上），而下方指朝向脚的方向（向下）。 前部是指身体的前部，后部是指后部。 内侧是朝向身体中线（中间矢状面和额面）的交叉点，以及远离中线的侧向点。 近端指示身体部位最接近躯干的部位，远端指示远离躯干的相反方向。
为了本文的目的，肢体节段，关节和方向将通过图2-2中的术语来提及。 图中未示出的其他关节运动包括横向平面中的脚，踝，小腿，大腿和髋部的内侧和外侧旋转。 另外，当足或腿从中矢状面摆动时，额骨面（关于与屈曲/延伸轴相交的轴）的踝关节和髋关节旋转称为外展，并且当足或腿向中间摆动时 - 矢量飞机。
图2-2所示的联合自由度代表了人体内实际自由度的一小部分。 但是，它们足以了解人类行走的基本机制。 必要时，将提供有关具体附加自由度的详细信息。
因为本论文主要涉及步行力学，所以使用运动生物力学将上身作为集总质量的惯例。身体分为两部分：运动员，其中包括腿和脚，帽子和躯干，代表头部和躯干。 HAT是指这个上半身集中的质量，还包括颈部，骨盆，手臂和手。 HAT占体重的大约70％。静止时，HAT重心（CG）的矢状面位置位于身体的上半部分，约为髋关节与头顶部[25]之间距离的1/3。图2-3所示的一个重要概念是体重矢量或载重线。载重线是HAT CG向下的矢量，并与地面反作用力的相等和相反的矢量一致。负载线在矢状面上相对于身体的位置决定了人是否平衡（负载线必须通过地面接触面），每个关节需要多大的扭矩来支撑身体，以及是否关节处于自锁或“过中心”配置。过中心的情况通常指的是膝关节。如果载重线在矢状面前方通过膝关节，则体重的作用是将腿部拉直至锁定位置。这在许多情况下是有利的，因为不需要肌肉扭矩（即能量）来保持膝盖角度并且膝部自稳定。在静态站立的横向平面中，脚通常略微分开并向外倾斜（对于第50百分位的男性，分离约为9厘米，向外角度或脚趾离开为7°）。负载线会穿过横向平面的脚之间的一半。
2.2步态周期
步行，或者更一般地说，运动是由肢体运动的重复序列组成的。向前运动是通过将重量转移到一只脚上，通过空气摆动另一只腿并撞击身体前方的地面，将重量转移到正在摆动的脚，然后扭转角色来实现。这个序列被称为步态周期（GC），步行由一系列平滑连接的步态周期组成。大部分生物力学文献都指出，一只脚踏上地面是步伐周期的“开始”，很大程度上是因为这种影响是实验室中容易测量的数据点[25,28]。其影响通常在脚后跟上，这一点在步态周期中将被称为脚后跟罢工。有些人先平脚或用脚趾打地面。出于这个原因，一些
生物力学文本可以通过更一般的术语初始接触来指代步态周期的开始[25]。一个完整的步态周期指的是同一只脚上两次连续的脚后跟之间的间隔。术语“步幅”也用于某些来源，以指示两次连续的脚后跟之间的时间间隔。一步是指从一只脚后跟冲撞到另一只脚后跟冲撞（每步有两步）。
步态周期分为功能不同的部分，称为阶段。最基本的划分是在腿在地面时的站立阶段和在空中时的摇摆阶段之间。由于步行周期是右腿和左腿的全部步骤，因此在每个步态周期中都有两个姿势和两个摆动阶段。对于正常人来说，步行周期对于左腿和右腿是对称的。阶段时间的总正态分布是60％的立场和40％的摆动[25]。
步态周期的站立阶段进一步细分为两个双站立阶段（初始双站立和终端双站立）和单脚站立阶段，而对侧腿摆动。双重立场是指双脚接触地面的时间。两只脚在地面上的两个站立阶段的姿态阶段的时间分配为10％，而在只有一只脚在地面上的单个站姿为40％。在两站立阶段，体重从一条腿转移到另一条腿。术语“初始”和“终端”仅指整个步态周期中的位置，因为除脚的变化之外，每个阶段看起来相同。
在单肢站立阶段，HAT CG向上移动并站立在脚掌上方。在此期间，膝盖完全延伸至锁定的偏心配置。由于伸展和锁定膝盖而抬高HAT CG的成本非常昂贵，因此臀部在额面上旋转以部分弥补这种上升。提高CG的成本可以通过节省的总体能源来实现
将膝盖置于稳定的位置，不需要额外的肌肉力量来维护。此外，身体的向前动量用于抬起HAT CG并在锁定的站立腿上运动。在此阶段，备用腿处于摆动阶段。
在终端双站立阶段，当重量转移到备用腿时，站立腿被卸载。随着体重的转移，膝盖会在秋千时扣住脚准备清理地面。这加上HAT CG前方备用腿的脚后跟撞击使得CG稍微下降。
挥杆阶段有三个主要组成部分，每个组分持续总挥杆阶段的大约1/3 [25]。 在脚离开地面之后的初始部分以及腿穿过对面的站立腿之前，腿部肌肉迅速加速腿部。 在中间摆动期间，腿继续前进，膝盖伸展以备脚跟着地。 在摆动的最后阶段，腿部肌肉会主动减速腿部以减少脚后跟撞击的影响。 表2-1结合了步态周期各个阶段的时间和功能表示。 表2-1的时间来自[25]和[30]。
2.3联合运动和能量
步态周期建立了每个步行阶段必须满足的机械条件。为了创建一个也跟随步态周期的阶段并为人类提供类似强度的外骨骼，有必要确定每个关节所需的精确运动和扭矩。从这些值中，可以推导出每个关节所需的功率，并用于选择合适的功率执行器和电源。临床门控分析（CGA）是生物力学领域，其重点是获得关于身体尺寸和惯性，关节运动，关节力矩以及与运动有关的其他指标的实验测量。第一代BLEEX的设计广泛使用了[32-34]发布的标准化CGA数据。 BLEEX设计过程中数据分析和应用的细节可以在[31,35]中找到，图2-5显示了CGA数据中使用的符号约定。测量每个关节作为远侧连杆从近侧连杆的正向逆时针旋转。解剖位置对应于每个关节的零角度。在远端连杆上逆时针作用时，转矩被认为是正值。
踝角CGA数据
来自邓迪大学[33]，香港大学[34]和冬季[32]的CGA联合数据汇编成图2-6中的脚踝。 步态周期从时间t = 0处的脚跟着地开始。对于每个曲线图，站立阶段发生在t = 0和t = 0之间。 摆动阶段发生在t = 0和t = 0之间。对于75公斤以1.3米/秒行走的人来说，数据是标准化的。 来自[32]的数据集是来自生物力学文献的最常用的参考集之一，然而其他来源已被包括以显示研究中的可变性。
图2-6-A显示了脚踝角度的时间历程。 随着HAT CG向上和越过站立腿，GC在站立阶段期间以10-15°的背屈开始。 随着足部伸展以推动身体向前，脚踝然后在终端站立时弯曲15-20°。在脚趾离开时，脚踝背屈至中立位置以确保脚趾在摆动过程中清理地面，然后在末端摆动末端跖屈，以备脚后跟冲击吸收。 与整个运动范围（-38°到 35°[22]）相比，步行所需的脚踝运动范围较小，但为了适应蹲等运动，将更大范围的运动设计到外骨骼中 （见第3章关于外骨骼运动的范围）。
踝扭矩CGA数据
图2-6-B中的脚踝扭矩曲线包含一些有趣的特征。在脚后跟撞击后立即达到峰值正扭矩。在短暂的高峰期间，脚踝扭矩可以防止脚在脚上加重时踩踏地板。在站立阶段期间，脚踝提供并几乎线性地将负扭矩增加到GC的大约50％。扭矩是负值，这表明它抵消了身体向前倒过脚的趋势。从脚踝扭矩从最负的点开始增加到在脚趾离开（t = 0.6）时平衡的那段时间在步行期间产生身体的向前推进。对于挥杆的其余部分，脚踝几乎可以提供零扭矩。在外骨骼设计方面，图2-6-B显示了脚踝上的执行器只需要在一个方向上施加扭矩，并且在摆动过程中不需要提供任何扭矩。这个特性可以在机械设计中被利用来节省功率和尺寸。
脚踝功率CGA数据
可从生物力学中推导出的第三个重要数据集是每个关节消耗的瞬时功率。 负功率周期对应于能量吸收，而正功率周期对应于能量产生。 对于外骨骼来说，需要正向功率意味着驱动，而负功率意味着功率可以消散（对于机械系统而言是浪费的，虽然难以避免），或者能量可以被捕获并存储以供以后使用。 瞬时功率是通过取角度的时间导数并乘以瞬时转矩来计算的，如公式
图2-6-C显示了脚踝瞬时功率的时间历程。 单一的大正向功率峰值对应于脚踝在姿态结束时提供的向前推进。同样重要的是要注意，对于大部分姿态而言，小的但稳定的负功率区域中的曲线上方的面积（能量）在幅度上与在脚趾离开之前的正功率尖峰之下的面积相似。 对于外骨骼设计来说，这意味着一个能量在站立期间储存并且在最后释放的方案可能是可行的，并且不会干扰人的运动。
共同收缩和人力消耗
需要注意的是，功率曲线并不完全对应于人类生成或消耗的功率。在人体内，肌肉只能提供一个力的方向（通过收缩）。因此，每个关节包含许多以相对配置排列的肌肉对：一组肌肉收缩导致伸展，而另一组肌肉收缩引起屈曲。在实践中，神经系统做所谓的共同收缩（或共同激活）[36]。两个肌肉组都施加力，并且在关节处看到的所得外部扭矩是来自收缩肌肉组的力之间的差异。通过共同收缩扭矩和关节的刚度可以独立控制[37,38]。这也意味着，与关节相关的肌肉的全部输出的任何量的功率都可以消散而不施加可见的外部扭矩[39,40]。一些研究人员已经创造出使用协同收缩的机器人系统[41]。这种类型的系统在外骨骼项目开始时进行了评估，但与通过共同收缩控制刚度相关的高功率成本使我们无法为外骨骼选择真正的拟人化致动器。相反，第4章将讨论如何在控制软件中添加刚度控制的好处。
膝关节角度CGA数据
图2-7-A显示了作为时间函数的GC中的膝盖角度。当HAT CG在脚站立脚上行走时，膝盖在早期站立时约扣10-20°。这有助于最大限度地减少HAT CG的增加并节省电力。在摆动之前，膝盖开始长时间的平稳弯曲，以在脚向前摆动时清除脚。在挥杆结束时，膝盖略微过度伸展（正角度）以确保膝盖在脚后跟着地时处于偏心位置。在这种偏心配置下，膝盖将在脚后跟撞击时机械稳定到直锁定位置，而不需要显着的脚踝扭矩。在外骨骼中保持这种状态需要仔细的确定尺寸，以使外骨骼腿完全伸展并且在脚跟着地时偏心。如第5章所示，在许多实验中，外骨骼腿对穿着者来说太长，这意味着它们在脚后跟着地处于弯曲状态。这导致腿意外地扣在使用者身上，导致不适。
膝关节扭矩和功率CGA数据
图2-7-B显示了作为时间函数的拐点扭矩。值得注意的是膝盖在两个方向都需要较大的扭矩这一事实。 图2-7-C表明膝盖在整个步态周期中需要驱动和耗散的多个区域。 膝盖的平均功率（数字中的虚线表示完整步态周期中的功率平均值）提供了在膝盖处采用完全耗散机制的潜力，其可以导致显着的功率节省。选择完全被动的外骨骼膝关节设计，虽然足够平地走路，但对于其他蹲动或上升斜坡和楼梯等机动装置来说是不够的。因此，在BLEEX上不采用被动膝关节驱动。 在当代的外骨骼中，我们重新考虑了被动膝关节设计以减少系统功耗。
髋关节角度，扭矩和功率CGA数据
行走时的髋关节运动几乎是从20°到-20°的正弦振荡。 髋关节的关节力矩遵循相似的模式，在大正负扭矩之间几乎对称地摆动。 虽然平均髋关节功率稍微正向，但表示驱动是必要的，但功率吸收和发电之间的振荡相对较慢。 对于外骨骼设计，这可以通过一个小型执行器和一个符合标准的储能和释放系统（如弹簧）来实现。
第3章 外骨骼设计和BLEEX项目
3.1承载外骨骼的历史
在二十世纪六十年代初，国防部表示有兴趣开发一种人力放大器，一种“动力装甲”，它可以增强士兵的提升和携带能力[5]。在1962年，美国空军曾经在康奈尔航空实验室研究使用主从机器人系统作为人工放大器的可行性。在后来的工作中，康奈尔确定外骨骼是人体形状的外部结构，其自由度比人类少得多，可以完成最理想的任务[43]。从1960年到1971年，通用电气公司开发并测试了一个原型人体放大器，称为Hardiman [42，44-46]的主 - 从系统。哈代曼是一套由操作人员穿着的重叠外骨骼。外部外骨骼（奴隶）遵循内部外骨骼（主人）的动作，它遵循人类操作员的动作。这些研究发现，复制所有人类运动和使用主从系统是不现实的。此外，人体
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