We present the design of a new robotic human augmentation system that will assist the operator in carrying a heavy payload, reaching and maintaining difficult postures, and ultimately better performing their job. The Extra Robotic Legs (XRL) system is worn by the operator and consists of two articulated robotic legs that move with the operator to bear a heavy payload. The design was driven by a need to increase the effectiveness of hazardous material emergency response personnel who are encumbered by their personal protective equipment (PPE). The legs will ultimately walk, climb stairs, crouch down, and crawl with the operator while eliminating all external PPE loads on the operator. The forces involved in the most extreme loading cases were analyzed to find an effective strategy for reducing actuator loads. The analysis reveals that the maximum torque is exerted during the transition from the crawling to standing mode of motion. Peak torques are significantly reduced by leveraging redundancy in force application resulting from a closed-loop kinematic chain formed by a particular posture of the XRL. The actuators, power systems, and transmission elements were designed from the results of these analyses. Using differential mechanisms to combine the inputs of multiple actuators into a single degree of freedom, the gear reductions needed to bear the heavy loads could be kept at a minimum, enabling high bandwidth force control due to the near-direct-drive transmission. A prototype was fabricated utilizing the insights gained from these analyses and initial tests indicate the feasibility of the XRL system.

中文翻译：

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通过利用奇异性和扭矩重新分配来增加人类有效载荷能力的额外机器人腿的设计

我们展示了一种新的机器人人体增强系统的设计，该系统将帮助操作员携带沉重的有效载荷，达到并保持困难的姿势，并最终更好地完成他们的工作。Extra Robotic Legs (XRL) 系统由操作员佩戴，由两个铰接式机器人腿组成，可随操作员移动以承载重负载。该设计是出于提高危险材料应急响应人员的效率的需要，这些人员受到个人防护设备 (PPE) 的阻碍。腿最终将与操作员一起行走、爬楼梯、蹲下和爬行，同时消除操作员身上的所有外部 PPE 负载。分析了最极端负载情况下的力，以找到减少执行器负载的有效策略。分析表明，最大扭矩是在从爬行到站立运动模式的过渡期间施加的。通过利用由 XRL 的特定姿势形成的闭环运动链产生的力施加冗余，峰值扭矩显着降低。执行器、动力系统和传动元件是根据这些分析的结果设计的。使用差动机构将多个执行器的输入组合成一个自由度，承受重载所需的齿轮减速可以保持在最低限度，由于近乎直接驱动的传输，可以实现高带宽力控制。利用从这些分析中获得的见解制造了一个原型，初步测试表明 XRL 系统的可行性。通过利用 XRL 特定姿势形成的闭环运动链产生的力施加冗余，峰值扭矩显着降低。执行器、动力系统和传动元件是根据这些分析的结果设计的。使用差动机构将多个执行器的输入组合成一个自由度，承受重载所需的齿轮减速可以保持在最低限度，由于近乎直接驱动的传输，可以实现高带宽力控制。利用从这些分析中获得的见解制造了一个原型，初步测试表明 XRL 系统的可行性。通过利用 XRL 特定姿势形成的闭环运动链产生的力施加冗余，峰值扭矩显着降低。执行器、动力系统和传动元件是根据这些分析的结果设计的。使用差动机构将多个执行器的输入组合成一个自由度，承受重载所需的齿轮减速可以保持在最低限度，由于近乎直接驱动的传输，可以实现高带宽力控制。利用从这些分析中获得的见解制造了一个原型，初步测试表明 XRL 系统的可行性。和传输元件是根据这些分析的结果设计的。使用差动机构将多个执行器的输入组合成一个自由度，承受重载所需的齿轮减速可以保持在最低限度，由于近乎直接驱动的传输，可以实现高带宽力控制。利用从这些分析中获得的见解制造了一个原型，初步测试表明 XRL 系统的可行性。和传输元件是根据这些分析的结果设计的。使用差动机构将多个执行器的输入组合成一个自由度，承受重载所需的齿轮减速可以保持在最低限度，由于近乎直接驱动的传输，可以实现高带宽力控制。利用从这些分析中获得的见解制造了一个原型，初步测试表明 XRL 系统的可行性。