Exoskeletons pentru Mărirea Puterii umane

Rezumat - exoschelet prima portantă și energetic autonom, numit exoschelet Extremitatea inferioară Berkeley (BLEEX), plimbări, la viteza medie de două mile pe oră în timp ce transportă 75 de kilograme de sarcină. Proiectul, finanțat în anul 2000 de către Agenția de proiect Aparare Cercetari Avansate (DARPA) a abordat patru tehnologii fundamentale: proiectare exoschelet arhitectural, un algoritm de control, un organism LAN pentru a găzdui algoritmul de control, precum și o unitate de alimentare de la bord la putere de acționare , senzori și calculatoare. Acest articol oferă o imagine de ansamblu a proiectului BLEEX.Termeni Index - BLEEX, exoschelet, robotică, purtate locomotorii picioare, om-mașină sisteme.INTRODUCERE Încărcați ocupă partea de sus a rucsaculuiși în jurul Unitatea de alimentareUnitatea de putere ocupă partea de jos a rucsaculuiCentrala de calculator ocupă partea de jos a rucsaculuide mai jos Unitatea de alimentareVestăDe la distanță IO ModululServomotoareFigura 1: Berkeley Lower Extremitatea exoschelet (BLEEX) II. TOTAL UMAN MărireaObiectivul principal al acestui proiect la U.C. Berkeley este de a dezvolta tehnologii fundamentale asociate cu proiectarea și controlul exoskeletons energetic autonome inferior care amplifică puterea omenească si rezistenta in timpul locomoție. Primul teren operațional exoschelet inferior de la Berkeley (denumit în mod obișnuit BLEEX și ilustrat în figura 1) este alcătuită din două picioare cu reglaj electric antropomorfe, o unitate de putere, și un rucsac ¬ cum ar fi rama pe care o varietate de sarcini grele pot fi montate . Acest sistem prevede pilot (de exemplu, purtatorul ei) capacitatea de "transporta incarcatura semnificative asupra lui / ei spate, cu un minim de efort pe orice tip de teren. BLEEX permite pilotului să stea ghemuit confortabil, îndoiți, leagăn dintr-o parte în alta, poftă de mâncare, și merge pe pante ascendente și descendente, în timp ce oferă, de asemenea, capacitatea de a-și intensifice peste și sub obstacole în timp ce transportă echipamente și provizii. Deoarece pilotul poate transporta sarcini semnificative pentru perioade lungi de timp, fără a reduce lui / ei agilitate, eficiența fizică crește semnificativ cu ajutorul acestei clase de exoskeletons inferior. În scopul de a aborda problemele de robustețe și fiabilitate domeniu, BLEEX este conceput astfel încât, în caz de pierdere de putere, picioarele exoschelet pot fi ușor îndepărtate și restul sistemului poate fi realizată ca un rucsac standard.31200-7803-8912-3/05 / 20.00 dolari © 2005 IEEEDesign-ul unic BLEEX oferă o ergonomic, extrem de manevrabile, mecanic robust, ușor, durabil și tinuta pentru a depasi limitele tipice omului. BLEEX are numeroase aplicatii, ea poate oferi soldați, muncitori caz de dezastre, luptatori Wildfire, și alte categorii de personal de urgență capacitatea de a

transporta încărcături mari, cum ar fi produsele alimentare, echipament de salvare, de prim ajutor livrărilor, precum și uneltele de comunicații, fără tulpina de obicei asociate cu exigente forței de muncă. Aceasta este viziunea noastră că BLEEX va oferi o platformă de transport versatilă pentru mission-critical echipamente.Acest lucru este finantat de DARPA grant DAAD19-01-1 - 0509.Om-robot de integrare, în special augmentare umană, subliniază viitorul roboticii. Deși sistemele autonome robotizate efectua în mod remarcabil în medii structurate (de exemplu, fabrici), integrate om-robot sisteme sunt superioare la orice sisteme autonome robotizate in medii nestructurate, care necesită adaptarea semnificativă. În muncii noastre de cercetare de la Berkeley, am separat tehnologia asociată cu augmentarea puterea umană în exoskeletons inferior și superior exoskeletons extremităților. Motivul pentru acest lucru a fost de doua ori, în primul rând, am putea imagina o serie de aplicații foarte multe, fie pentru un stand singur ¬ exoschelet extremitatea inferioară sau superioară în viitorul imediat. În al doilea rând, și mai important, pentru că este divizia exoskeletons sunt în stadiile lor timpurii, precum și continuarea cercetărilor în continuare trebuie să fie efectuate pentru a se asigura că exoschelet extremitatea superioară și exoschelet extremitatea inferioară poate funcționa independent de bine înainte de a putea aventura o încercare de a le integra . Cu gândul acesta în, am procedat cu modele de exoschelet extremitatea inferioară și superioară separat, cu prea puțină preocupare pentru dezvoltarea uneiintegrat exoschelet. Vom da mai întâi un rezumat al eforturilor superioare exoschelet extremităților la Berkeley și apoi vom continua cu descrierea proiectului BLEEX.III. UPPER Extremitatea exoscheletAceastă interacțiune dintre oameni și mașini de beneficii din combinarea intelectului uman și puterea mașinii; uman prevede un sistem de luare a deciziilor pentru dispozitivul de asistare, în timp ce motoarele de dispozitiv oferă cele mai multe dintre puterea manipulare. La mijlocul anilor 1980, am inițiat mai multe proiecte de cercetare privind sistemele superioare exoschelet extremităților, taxat ca "Prelungitoare omului [1] - [4]." De fapt, hârtie foarte primul Mărirea umane extremitatea superioară a fost prezentat în IROS 88 [8]. Funcția principală a unui exoschelet extremitatea superioară este augmentare putere umană, pentru manipularea obiectelor grele și voluminoase. Aceste sisteme, care sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de dispozitive asiste sau de diluare omului de putere, se pot simula fortele pe brațele unui lucrător și trunchiului. Aceste forțe diferă de la, și sunt, de obicei, mult mai puțin decât forțele necesare pentru a manevra o sarcină. Atunci când un lucrător folosește un exoschelet extremitatea superioară a muta o sarcină, dispozitivul poartă cea mai mare parte a greutății de la sine, în timp ce transferul de la utilizator ca un feedback firesc, o valoare scalate-jos a greutății încărcăturii lui reală. De exemplu, pentru fiecare 40 de kilograme de greutate de la un obiect, un muncitor ar putea susține doar 4 lire sterline, în timp ce dispozitivul acceptă restul de 36 de lire sterline. În acest fel, lucrătorul poate simti inca greutatea încărcăturii și a judeca lui / ei mișcările în consecință, dar forța el / ea simte este mult mai mic decât ceea ce el / ea ar simți fără dispozitiv. Într-un alt exemplu, să presupunem că lucrătorul folosește aparatul pentru a manevra un obiect mare, rigidă, și voluminoase, cum ar fi o țeavă de eșapament. Dispozitivul va transmite forta de a lucrătorului ca și cum acesta a fost o lumină, cu un singur punct de masa. Acest lucru limitează forțele eco-cuplate și centrifuge care cresc dificultatea de manevrarea unui corp rigid și poate produce, uneori, forțele prejudiciabile pe încheietura mâinii. Într-un al treilea exemplu, să presupunem că un lucrător folosește aparatul să se ocupe de o cheie dinamometrică elevator. Aparatul va scădea și se filtrează forțele transferate de la cheia la brațul lucrătorului astfel încât lucrătorul se simte componentele de joasă frecvență ale forțelor Chei de vibratoare în loc de

componente de înaltă frecvență care produc oboseala.Dispozitivele de asistență la noi proiectate nu numai din forțele filtra nedorite pe un lucrător, dar poate fi, de asemenea, programat să urmeze o traiectorie special, indiferent de directia exact în care lucrătorul încearcă să manipuleze dispozitivul. De exemplu, să presupunem că un lucrător de auto-asamblare se utilizează un dispozitiv de asistare a muta un scaun la destinația sa finală într-o mașină. Dispozitivul de asistare poate aduce scaunul la destinația finală, deplasându-l de-a lungul unui traseu pre-programate, cu o viteză care este proporțională cu magnitudinea de forță lucrătorului pe dispozitiv. Deși lucrătorul ar putea fi acordând o atenție foarte puțin la destinația finală a scaunului, dispozitivul poate aduce încă scaunul la locul său, fără îndrumarea lucrătorului. Exoschelet extremitatea superioară reflectă pe forțele brațul lucrătorului, care sunt limitate și mult mai mici decât forțele necesare pentru a manevra sarcini. Cu Prelungitoare electrice omului, lucrătorii auto-asamblare și de depozit poate manevra părți și cutii cu dexteritate mult îmbunătățit și de precizie, să nu vorbim de o scădere marcată în tulpina musculare. Dării în folosință, aceste dispozitive vor reduce semnificativ incidenta prejudiciului înapoi în locul de muncă, care se va transforma în compensa foarte mult costul anual de a trata leziuni spate. Figura 2: exoschelet electric extremitatea superioară Figura 3: dispozitive inteligente de asistare (IAD): Cea mai simplă formă de promotori de extremitatea superioară pentru aplicații industriale3121Exoskeletons superioare extremităților au fost proiectate bazează în primul rând pe controlul respectării [5], [6], și [7] sisteme care se bazau pe măsurarea forței de interacțiune dintre om și mașină. Diverse sisteme experimentale, inclusiv un încărcător hidraulic proiectat pentru încărcare aeronave și o diluare de energie electrică construită pentru două-mână, au fost proiectate pentru a verifica teoriile. Ne-am dezvoltat, de asemenea, low-cost cu o schimbare industriale Prelungitoare superioare extremităților (denumit în mod obișnuit ca dispozitive inteligente Assist), care sunt acum utilizate pe scară largă în Statele Unite și Europa. Un dispozitiv de asistare inteligentă include un dispozitiv de acționare electrică controlate de computer care este atașat direct la un plafon, sau o macara deasupra capului și se mișcă exact o frânghie de sârmă cu o viteză controlabilă. Atașat la cablului este un senzorial final efectorului în cazul în care operatorul de mână, DAI, iar sarcina vin în contact. În aceste dispozitive asista, forța operatorului dispozitiv este simtit si amplificat electronic prin utilizarea unui calculator de a conduce acționare. End-efectorului include o interfață de încărcare subsistem, care este proiectat pentru a interfata cu o varietate de sarcini și dispozitive de depozit, cum ar fi cupe de aspirație și cârlige.IV. PUNCTE DE PROIECTARE BLEEXÎn proiectarea BLEEX, mai mulți factori au trebuit să fie luate în considerare: În primul rând, este necesar să existe exoschelet în același spațiu de lucru al pilotului, fără a interfera cu mișcarea lui. în al doilea rând, a trebuit să se stabilească dacă exoschelet ar trebui să fie antropomorfă (de exemplu, cinematic de potrivire), sau non-antropomorfică (adică potrivirea cinematic singurul operator de la punctele de conexiune între om și mașină) [12]. Am selectat în cele din urmă o arhitectura aproape de una antropomorfă din cauza transparenței sale de a-pilot. Am ajuns la concluzia că, de asemenea, un exoschelet care se potrivește cinematic picioarele purtatorului castiga acceptarea de mai psihologic de utilizator și, prin urmare, este mai sigur de a purta. În consecință, a fost conceput pentru a exoschelet avea aceleași grade de libertate similare cu cele ale pilotului: trei grade de la

glezna si de șold, și un grad de la genunchi. Această arhitectură, de asemenea, a permis în mod corespunzător scalate date clinice umane de mers pe jos pentru a fi utilizate pentru proiectarea componentelor de exoschelet, inclusiv spațiul de lucru, acționare și sursa de alimentare [10].Un studiu de analiză clinice de mers (CGA) Datele ofera dovezi ca oamenii consuma cea mai mare putere prin articulații plan sagital ale gleznei, genunchiului, șoldului și în timp ce mersul pe jos, ghemuit, urcatul scărilor, precum și cele mai multe alte manevre comune. Din acest motiv, nivelul articulatiilor sagitale plane ale exoschelet primul prototip sunt alimentate. Cu toate acestea, pentru a economisi energie, de grade non-sagitale ale libertății la glezna și șold rămâne nealimentat. Acest lucru obligă pilot pentru a furniza forța de a manevra răpirea exoschelet și de rotație, în cazul în care forțele operaționale solicitate sunt mai mici. Pentru a reduce și mai mult sarcina pe operatorul uman, gradele de libertate sunt unactuated primăvară-încărcate într-o poziție neutră în picioare. Utilizarea datelor CGA și uman factori de informații, intervalele de mișcare pentru exoschelet au fost selectate pentru a fi mai mari decât cele ale oamenilor în timp ce mersul pe jos, și mai mică decât limita fizică a articulațiilor umane. Acest lucru asigură o flexibilitate suficientă pentru mersul pe jos, menținând în același timp siguranța pilot. În scopul de a găzdui cel mai mare număr de piloți, exoschelet a fost conceput pentru a avea coadă reglabil și secțiuni coapsei. Aceste secțiuni vor regla de la 5% la 95% din lungimea gambei și coapsei de oameni din armata SUA, astfel cum sunt stabilite de literatura de specialitate uman factori. La piciorul, exoscheletul rigid se ataseaza la boot-pilot, cu o obligatoriu, dar o axă de rotație flexibil, tep-secțiune, răpirea glezna, și pe verticală permite manevrabilitatea piciorul exoschelet suficientă pentru a menține la greva de utilizator.Solduri conecta la picioare pentru a torsului prin trei grade de libertate. Dintre aceste trei grade de libertate, de un singur grad în planul sagital este alimentat în prototip nostru BLEEX preliminare. Pe lângă articulațiilor flexie / extensie, abducție șold / aducție necesită cea mai mare putere în timpul mersului, deoarece prevede forțele laterale de echilibrare, astfel, BLEEX șold răpirea / aductiune comun a fost acționată în prototipuri mai târziu. Trunchiului exoschelet este un membru structural care rigid se conectează la vesta pilot. Vesta este proiectat din mai multe suprafețe dure din policarbonat conectate compliantly împreună pentru a se conforma piept pilot, umerii si partea superioara a spatelui, prevenind astfel forțele concentrate între exoschelet și purtătorului. Torsul oferă, de asemenea puncte de fixare pentru sursa de alimentare, sarcina utila si calculator.Analiza mersului Clinic (CGA) a fost utilizat pentru a oferi nu numai baza pentru cinematicii exoschelet și arhitectura dinamică, dar, de asemenea, pentru acționarea acestuia. Desfășurarea acestei date CGA a fost motivată de presupunerea că BLEEX seamănă cu o greutate uman și volumul. De acționare BLEEX glezna au fost concepute pentru a oferi cuplurilor relativ mari plantarflexion (~ 1000 lb-in) corespunzătoare celor necesare pentru propulsie se află la tep-off. De acționare la genunchi au fost concepute pentru a oferi atât cuplurile mari de extensie (~ 800 lb-in) necesare în timpul grevei toc, care are loc în timp ce mersul pe jos, și cuplurile mari flexie (~ -800 lb-in) necesare în timpul leagăn, care apare cu acțiuni cum ar fi alpinism scări. De acționare șold au fost concepute pentru a oferi cuplurilor relativ simetrice flexie și extensie (+ / - 900 lb-in) care corespund naturii simetrică a cuplurilor necesare la șold să meargă. Aceste decizii critice de design au fost ulterior confirmată de observație fiziologic. Deoarece actuatori hidraulici liniare au fost folosite pentru a alimenta articulațiilor BLEEX, cuplul impus la fiecare articulație a fost o funcție neliniară a locației acționare și geometria acesteia. Un cod de optimizare a fost scris pentru a localiza atât locațiile efectului acționare și zona de secțiune transversală a dispozitivelor de acționare, astfel încât să cedeze dreptul de suma de cuplu la fiecare articulație. În cazul în care au fost concepute acționare pentru a produce o cantitate mare de cuplu mai mult decât ceea ce este prescris de către datele CGA

la fiecare comună, atunci ar fi o mare cantitate de pierdere de putere in timpul modulare (de exemplu, de control).CGA de date, care a furnizat informații cuplul și viteza la fiecare comună a unei persoane lire 165, a fost, de asemenea, utilizat la dimensiunea sursa de alimentare exoschelet. Informațiile sugerat că o persoană tipic folosește aproximativ 0,25 CP (185 Watts), pentru a merge la viteza medie de 3 mph. Această cifră, care reprezintă produsul medie de viteză și cuplu, este o expresie a puterii pur mecanic expus la picioare în timpul mersului. Din moment ce am presupus că exoschelet este similar cu un om în termeni de geometrie și greutate, unul dintre obiectivele-cheie de design sa dovedit a fi o unitate de proiectare de alimentare și sistemul de acționare pentru a oferi aproximativ 0,25 CP la nivelul articulațiilor exoschelet. În mod evident, ca urmare a pierderilor inerente de infrastructură de putere, instalațiile de alimentare construite pentru BLEEX au fost capabili de a transmite mai mare de 0,25 CP putere.V.BLEEX CONTROL3122Eficacitatea exoschelet extremitatea inferioară provine de la beneficiul combinat al intelectului uman furnizate de utilizator și avantajul oferit de puterea exoschelet. Uman prevede un sistem de control inteligent pentru exoschelet, în timp ce dispozitivele de acționare exoschelet oferă cele mai multe dintre puterea necesară pentru mersul pe jos. Algoritm de control se asigură că se mișcă exoschelet în concert cu pilot cu forța interacțiune minimă între cele două. Schema de control nu are nevoie de masuratori directe de la utilizatorul sauinterfața om-mașină (de exemplu, la senzori vigoare între cele două), în schimb, estimările controlerului, pe baza măsurătorilor de la exoschelet doar, cum să se miște, astfel încât se simte purtatorul forta foarte puțin. Acest sistem de control roman, care nu a mai fost aplicat la orice sistem robotic, este o metodă complexă, dar eficientă de a genera locomoție atunci când locația de contact între poartă și mașina este necunoscut și imprevizibil (de exemplu, exoscheletul si purtatorul sunt în contact, în varietate de locuri). Această metodă de control diferă de metodele de control al conformității utilizate pentru exoskeletons extremitatea superioară, deoarece nu necesită senzor de forta între poartă și exoschelet.Principiul de bază pentru controlul BLEEX se bazează pe ideea că exoschelet trebuie să urmărească mișcările purtatorului voluntare și involuntare repede, și fără întârziere [11]. Acest lucru înseamnă că exoschelet necesită un nivel ridicat de sensibilitate, ca răspuns la toate forțele și cuplurile de pe exoschelet, în special forțele impuse de purtător. Abordarea această nevoie implică un conflict direct cu scopul de control știința lui de a minimiza sensibilitatea sistemului în proiectarea unui sistem închis de feedback bucla, dar exoschelet este un sistem care necesită sensibilitate considerabilă a forțelor externe și cuplurile să își îndeplinească funcția în mod corespunzător; dacă sunt montate cu un sensibilitate scăzută, sistemul nu se va muta în mod concertat cu purtatorului ei. Ne dăm seama, cu toate acestea, că maximizarea sensibilitatea sistemului la forțele externe și cuplurile duce la o pierdere a robusteții în sistem.Ținând cont de această nouă abordare, scopul nostru a fost de a dezvolta un sistem de control pentru BLEEX cu sensibilitate ridicată. Ne-au confruntat cu două probleme realiste asociate cu această abordare, prima a fost că un exoschelet cu sensibilitate mare la forțele externe ar răspunde la alte forțe externe care nu sunt inițiate de către pilot. De exemplu, dacă cineva a împins împotriva unei exoschelet care a avut o sensibilitate ridicată, exoscheletul-ar muta la fel ca modul în care s-ar muta, ca răspuns la forțele de pilot. Deși acest lucru poate suna ca o problemă gravă, fapt este că doresc să se asigure că exoschelet nu stabilizeze comportamentul său pe cont propriu, ca răspuns la alte forțe.

În cazul în care a făcut-o, pilotul va primi de propunere de exoschelet în mod neașteptat și ar trebui să se lupte cu aceasta pentru a evita miscarea nedorite. Cheie la stabilizarea exoschelet și împiedicând-o să cadă, ca răspuns la forțele externe depinde de capacitatea pilotului de a se deplasa rapid (de exemplu, pas înapoi sau în lateral), pentru a crea o situație stabilă pentru sine și exoschelet. Pentru aceasta, o lățime de bandă de control foarte mare este nevoie de atât de exoschelet poate răspunde la ambele mișcări voluntare și involuntare (reflexe).Al doilea aspect este că sistemele cu sensibilitate mare la forțe externe și cuplurile care nu sunt robuste la variații și, prin urmare, precizia performanței sistemului va fi proporțională cu precizia modelului dinamic exoschelet. Acest lucru este destul de un dezavantaj serios și am acceptat-o de la diferite sisteme experimentale in laboratorul nostru s-au dovedit eficacitatea metodei de control în umbra mișcării pilotului.o clasă de sisteme, care are sensibilitate mare este marginal sisteme stabile. Am conceput, prin urmare, un marginal stabil sistem închis bucla controler care utilizează informațiile senzorul de pe exoschelet numai. Acest lucru se face prin utilizarea inversă a dinamicii exoschelet ca un controller feedback pozitiv atât câștigul bucla de exoschelet se apropie de unitate (mai puțin decât 1). în mod evident, pentru a obține această metodă de lucru în mod corespunzător, este nevoie să înțeleagă dinamica exoschelet destul de bine, cum controlerul este puternic model bazat. experimentele noastre cu BLEEX au arătat că, în acest moment, această schemă de control-care nu stabiliza BLEEX-o obligă să urmeze umane la nivel de lățime de bandă în timp ce manevrele care transportă încărcături grele, deși este nevoie de o mare de modelare dinamică. Am ajuns să creadă că ceea ce nu se stabilizează, va face doar mai puternici.VI. BLEEX ELECTRONICSBLEEX folosește un algoritm neliniar multivariabil cu fermitate pentru a controla comportamentul său. Sistemul are multe grade de libertate cu un număr mare de senzori și actuatori. din moment ce toate calculele necesare pentru punerea în aplicare de control sunt efectuate pe un singur computer, avem nevoie de o platforma de control pentru a reduce la minimum numărul de fire de semnal în sistem. Exoschelet electronice de sistem, EXoLINK, a fost conceput pentru a simplifica și de a reduce sarcina de cablare a tuturor senzori și actuatori necesare pentru controlul exoschelet. Aceasta se bazează pe o topologie de mare viteză sincronă ¬ rețea inel în cazul în care mai multe module electronice la distanță de ieșire de intrare (RIOM) reședința într-un inel. Fiecare RIOM este în comunicare cu mai mulți senzori și un acționare în imediata apropiere, și include opt șaisprezece biți analog-to-digital Convertoare (ADC), două contoare cuadratura, opt biti de intrare digitale și porturi de ieșire, două digital-la-analogic convertoare (DAC) și filtre analogice. Fiecare RIOM include, de asemenea reglarea puterii localizate și izolare pentru a minimiza zgomotul semnalului și sistemul de bucle la sol în timp ce a construit-o în FPGA gestionează toate RIOM tranzacție de date și de filtrare. Datele colectate de către fiecare modul este codificat și transmise digital la un computer central prin inel.EXOLINK are patru inele, dintre care două sunt asociate cu cele două picioare și să includă trei module de intrare de la distanță de ieșire. Al treilea inel este conectat la o interfață grafică pentru utilizator pentru depanare și achiziție de date, și un inel patra este utilizat pentru a găzdui alte unelte electronice și de comunicare, care nu sunt legate de exoschelet, dar care pilotul trebuie să efectueze. Fiecare inel este echipat pentru a găzdui până la opt RIOMs.3123EXOLINK constă dintr-un microcalculator și Autorității un modul IO (SIOM). SIOM include un FPGA programat pentru a servi ca hub de comunicare pentru toate cele patru inele. Un cip transceiver

reședința în SIOM și toate RIOMs permite transferul de date la o rată de 1500 Mb / s.. În prezent, un 650 MHz Pentium PC-104 microcalculator este folosit pentru a pune în aplicare algoritmul de control, precum și exoschelet actual utilizeaza 75% din capacitatea de I / O dinEXOLINK. Utilizarea unei rețele de mare viteză sincronă în locul metodei tradiționale paralel permite exoschelet să reducă peste 200 senzor și actuator fire la doar 24 de comunicare și cabluri de alimentare. While senzorii sunt citite la rata de 10KHtz, controlul este actualizat la 4KHtz (moment de prelevare de control este de 250 microsecunde).VII.BLEEX unitate de putereUna dintre cele mai mari obstacole pentru a depăși în realizarea autonomiei energetice cu roboți mobili este sursa de alimentare. Fiecare efort a fost făcut pentru a se asigura că este BLEEX energetic autonom și domeniul re-fuelable. Circulante dispozitive mobile robotizate de obicei folosesc un pripon atașarea robotul la o sursă de alimentare de mare staționare, sau se transporta un numar mare de baterii pentru orarul de funcționare relativ scurte. O provocare semnificativă în proiectarea exoschelet extremitatea inferioară Berkeley a fost dezvoltarea unui sistem de alimentare cu energie și de acționare care să satisfacă cerințele de putere și energie pentru o perioadă lungă de timp.Încercările noastre preliminare în proiectarea o sursă de alimentare pentru BLEEX axat pe pompa monopropelant-elevator cu piston hidraulic gratuit [9] ca sursă de energie. Acest sistem genereaza putere hidraulică prin descompunerea peroxidului de hidrogen 90%, concentrat. Monopropellants sunt mai energic decât bateriile, dar energia lor specifică (1,2 MJ / kg pentru 90% - peroxid de hidrogen concentrat) este semnificativ mai mică decât cea a unui combustibil, cum ar fi benzina (44 MJ / kg). Relativ mic de energie specifică, caracteristicile substanțiale de siguranță necesare, precum și costul combustibilului ne-a împiedicat să își desfășoare în continuare monopropelant pe bază de unități de alimentare pentru aplicatii robotizate.Privim exoschelet ca o platformă mobilă fieldable ca un vehicul sau o motocicleta, mai degrabă decât un robot industrial interioară cu un cablu de alimentare pentru a energiza membrele sale. Această schimbare de paradigmă privind proiectarea exoschelet ne obligă să se confrunte cu un set de întrebări de proiectare (inclusiv sursa de alimentare), în etapele inițiale de proiectare. Combustibili hidrocarburi în formă de combustibil benzina sau motorina sunt mai potrivită formă de energie pentru platforme mobile, din cauza lor specific de energie mare (44 Mega Jules per kilogram). Servomotoare electrice cu motor, comune în robotica industriale, datorită simplității lor și utilitatea, au o densitate de putere mică, rezultând în sisteme de acționare grele și voluminoase care necesită surse de mare putere pentru misiuni pe termen lung.BLEEX folosește un special conceput hidraulic-electric Unitatea de alimentare (HEPU), care furnizează o putere hidraulică de locomoție și energie electrică pentru componentele de calcul și senzori. Acest sistem de putere hibrid este capabil de a alimenta un alt nealimentat uman scară de sistem mobil de robotizate pentru o perioada de cateva ore, mai degrabă decât de minute, și combină energia specifica ridicata al combustibililor hidrocarburi cu putere specifica mare a sistemelor de acționare hidraulice. Potrivit datelor CGA, am constatat că o persoană 165 lire utilizări 0.25 CP a puterii mecanice pentru a merge cu viteza de 3 mph. Problema cheie este de a proiecta un sistem de putere și de acționare a oferi aproximativ 0,25 HP la nivelul articulațiilor exoschelet, presupunând exoschelet seamănă cu o persoană 165 lb. Unitate de putere ar trebui să ofere, de asemenea, cu privire la 150W de energie electrică pentru a alimenta sistemele electronice, inclusiv calculatoare, RIOMs și senzori. Conformitate cu un set detaliat de calcule, sa ajuns la concluzia că un exoschelet care seamănă cu o persoană 165 lb si foloseste hidraulice pentru acționarea are nevoie de un 1.6 consumabil HP de alimentare hidraulică (2.7GPM de debit hidraulic la 1000 psi), pentru a merge la

exoschelet viteza de 3MPH. Am proiectat două HEPUs pentru a găzdui două surse diferite de alimentare pentru exoschelet.Designul foarte primul constă dintr-o racit cu aer patru timpi cu un singur cilindru cuplat la un generator de curent continuu fără perii cu trei faze și o pompă hidraulică pentru alimentarea electronice, precum și elemente de acționare hidraulice. Acest lucru a fost HEPU capabil să producă un maxim de 1,4 CP (1,04 kW) puterea hidraulică de la 1000 psi (6,9 MPa) presiune de funcționare (de exemplu, GPM de debit hidraulic 2,4), precum și aproximativ 200 W de energie electrică. Am realizat o serie de experimente cu exoskslston și am aflat că această HEPU produce 1.08 CP si 1.4 CP la viteze de mers pe jos de 1,3 și 1.9 MPH mph. Puterea reală mecanice utilizate pentru viteze de locomotie doi au fost 0.24 0.31 CP și HP, comparativ cu 0.25 HP pentru un mersului uman, la viteza de 3 mph. Nu am fost niciodată în măsură să meargă cu viteza de 3 mph cu BLEEX ca unitate de alimentare saturate, puterea inadecvate (de exemplu debit inadecvat, deoarece presiunea a fost reglementat până la 1000 psi) din prezentul HEPU limitează viteza de mers pe jos de exoschelet la 1,9 MPH. Deși, remiză de alimentare de la unitatea de alimentare exoschelet a fost, în aceeași ordine de mărime a estimat, diferența sa datorat faptului că statura BLEEX lui s-au dovedit a nu fi exact ca cea a unei persoane, în termen de greutate și geometrie. De exemplu, sarcina pe exoschelet înapoi făcut mai degrabă diferit de o persoană. Am, de asemenea, a realizat ca un rezervor de un galon de combustibil furnizează aproximativ 4 ore de funcționare, ceea ce duce la aproximativ 8 km de la distanță de călătorie. Această distanță lungă pentru o misiune de care nu ar putea fi atins cu ajutorul bateriilor.3124Pentru mersul pe jos mai repede (nu mai lungi de ori misiune), am proiectat o HEPU cu putere mai mult [13]. Aceasta constă într-un HEPU răcit cu lichid, motor in doi timpi pe benzina opus cilindri cuplat direct la un generator de curent continuu fără perii cu trei faze și o pompă hidraulică de viteze pentru alimentarea electronice, precum și elemente de acționare hidraulice. În scopul de a minimiza masa și pentru a facilita ambalaje strânse cu flux de aer de răcire limitată, HEPU este răcit cu lichid, cu lichid hidraulic de acționare același care folosesc. Acest HEPU produce cu succes 3HP (2,3 KW) a puterii hidraulice la 1000 de psi (6,9 MPa) presiune de funcționare (de exemplu, GPM de debit hidraulic 5.2), în plus față de 220 W de energie electrică. Fluxul mare a acestei HEPU teoretic permite viteza de mers pe jos de exoschelet să depășească 4 mph, dar acest lucru este, în practică, viteza limitată de lățime de bandă de control. Un rezervor de combustibil de un galon oferă aproximativ 1 oră și 15 minute din timpul de misiune la puterea sa maximă (GPM la 1000 psi 5.2), ceea ce se traduce în 5 mile de călătorie într-o oră. Am ajuns la concluzia că această HEPU doilea ar putea reduce timpul misiunii de către jumătate pentru o distanță dată, și sarcina utilă, dar nu s-au efectuat experimente pentru verificare.Controlerele din HEPUs reglementează două variabile: presiunea hidraulică și turația motorului se folosesc două intrări: acceleratie motor și o supapă de by-pass hidraulic. Presiunea hidraulică a fost reglementată la 1000 psi și de viteză a fost reglementată la o viteză care pompa hidraulică sau motorul a avut cea mai mare eficiență și putere la vârf (7000 RPM pentru HEPU prima și a doua 6500rpm pentru HEPU). Viteza constantă a motorului, de asemenea, a condus la proiectarea unui amortizor de zgomot optimizat. Nivelul de zgomot produs de atât HEPUs este minimizat folosind un sistem de evacuare și derutantă integrate încorporată în sistemul de ambalaj.VIII.REFERENCES[1] Kazerooni, H., "om-robot Interacțiunea prin intermediul transmiterea de semnale electrice și Informare", IEEE Trans. privind sistemele și Cibernetică, v. 20, nr 2, martie 1990.

[2] Kazerooni, H., și Mahoney, S., "Dinamica și de control ale sistemelor robotizate purtate de oameni," ASME Journal of Dynamic Systems, Măsurători și control,, Vol.. 113, No. 3, pp. 379-387, septembrie 1991.[3] Kazerooni, H., "Tehnologia extender de la Universitatea din California, Berkeley," Jurnal de Societatea Inginerilor de instrumente și de control în Japonia, Vol.. 34, 1995, pp. 291-298.[4] Kazerooni, H., Guo, J., "Extender Omului," ASME Journal of Dynamic Systems, Măsurători și control,, Vol.. 115, No. 2 (B), iunie 1993.[5] Kazerooni, H., Snyder, TJ, "Un studiu de caz privind Dinamica Aparate haptic: Instabilitatea induse de om în mână Powered Controleri," J. AIAA de Orientare, control, și Dynamics, v. 18, N1, 1995.[6] Kazerooni, H., Houpt, PK, si Sheridan, TBC, "o metodă de proiectare pentru Propunere Compliant robusta Manipulatori," IEEE Jurnalul de Robotica si Automatizari, Vol.. 2, No. 2, iunie 1986.[7] Kazerooni, H., și Waibel, B., "Cu privire la stabilitate a manevrelor constrâns Robotic" IEEE Trans. pe Robotica si Automatica, V7 # 1. Feb.1991.[8] Kazerooni, H., "Extender: Human / interacțiune mașină prin schimb de semnale putere și informații," IEEE Workshop internațional cu privire la Roboți inteligente și a sistemelor, Tokyo, Japonia, octombrie 1988.[9] Raade, JW, McGee, TG, și Kazerooni, H., "monopropelant-Driven pompa cu piston hidraulic pentru gratuit ce Mobile Sisteme robotice," ASME J. Sys dinamice, Domeniu de măsură.., Și Control, vol.. 126, nr. 1, martie 2004, pp. 75-81.[10] Chu, A., Kazerooni, H., Zoss, A., "Pe Proiectare Biomimetic de exoschelet Extremitatea inferioară Berkeley (BLEEX)," Proc. a Conferinta Internationala IEEE pe Robotica si Automatica, Barcelona, Spania, 2005.[11] Kazerooni, H., Huang, L., Racine, JL, și Steger, R., "Cu privire la controlul de exoschelet Extremitatea inferioară Berkeley (BLEEX)," Proc. a Conferinta Internationala IEEE pe Robotica si Automatica, Barcelona, Spania, 2005.[12] Zoss, A., Kazerooni, H., Chu, A., "Cu privire la proiectarea mecanica a exoschelet Extremitatea inferioară Berkeley (BLEEX)," Proc. Roboți de IEEE inteligente și sisteme de, Edmonton, Canada, 2005.[13] Amundson, K., Raade, J., Harding, N., Kazerooni, H., "hibrid hidraulic-electric Unitatea de alimentare pentru roboti de câmp și Serviciul," Proc. Roboți de IEEE inteligente și sisteme de, Edmonton, Canada, 2005.[14] Snyder, TJ, și Kazerooni, H., "un roman de manipulare sistem material", Conferinta Internationala IEEE pe Robotica si Automatica, aprilie 1996, pp. 1147-1152.[15] Kazerooni, H., "Stabilitatea și performanța sistemelor robotice purtate de oameni," Conferinta Internationala IEEE pe Robotica si Automatica, Cincinnati, Ohio, mai 1990.