穿上一臺(tái)膝關(guān)節(jié)外骨骼，最怕的不是它不夠有力，而是它太“強(qiáng)勢(shì)”。

很多傳統(tǒng)外骨骼喜歡把人的膝蓋理解成一個(gè)機(jī)械鉸鏈，大腿一根桿，小腿一根桿，中間一個(gè)軸，彎曲、伸直，問(wèn)題解決。

但人體膝關(guān)節(jié)不是這么工作的。人在走路、爬坡、下蹲時(shí)，膝關(guān)節(jié)內(nèi)部并不是固定繞著一個(gè)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，而是同時(shí)伴隨著滾動(dòng)和滑動(dòng)。股骨和脛骨之間的相對(duì)位置不斷變化，瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)中心也會(huì)隨之移動(dòng)。

這就帶來(lái)一個(gè)外骨骼領(lǐng)域長(zhǎng)期繞不開(kāi)的問(wèn)題：機(jī)器的軸線，常常對(duì)不上人的關(guān)節(jié)。對(duì)不上，就會(huì)拉扯。輕則穿戴不適、綁帶滑移，重則增加關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)。外骨骼本來(lái)是來(lái)幫忙的，最后卻可能變成一套限制人體動(dòng)作的機(jī)械框架。

近日，北京大學(xué)人工智能研究院周志浩、先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院王啟寧教授團(tuán)隊(duì)在機(jī)器人領(lǐng)域頂級(jí)期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）發(fā)表最新成果，提出了一種高柔順、變剛度、運(yùn)動(dòng)學(xué)兼容的多段式膝關(guān)節(jié)外骨骼設(shè)計(jì)方法。

論文第一作者為北京大學(xué)王啟寧教授團(tuán)隊(duì)博士研究生徐明，通訊作者為北京大學(xué)周志浩博士，合作者包括北京大學(xué)碩士畢業(yè)生婁文杰、山東大學(xué)博士研究生代孝林、北京大學(xué)碩士研究生王潤(rùn)和美國(guó)哥倫比亞大學(xué)Sunil Agrawal教授。該研究獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助 (No. 524B2044, 52375001, 52475001)。

這項(xiàng)研究要解決的核心問(wèn)題很直接：如何讓外骨骼在提供支撐的同時(shí)，盡量減少對(duì)人體自然運(yùn)動(dòng)的干擾。

01.

剛性外骨骼有力，柔性外骨骼順滑，但都不夠完美

膝關(guān)節(jié)是人體下肢承重和運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵關(guān)節(jié)。

平地行走時(shí)，它要配合髖、踝完成步態(tài)轉(zhuǎn)換；上坡時(shí)，它要承擔(dān)更多伸膝負(fù)荷；深蹲起立時(shí)，它又要在大角度屈伸中提供支撐。一旦力量下降或出現(xiàn)損傷，行走、起立、上下樓梯都會(huì)受到直接影響。

因此，如何減輕膝關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)，一直是下肢外骨骼研究的重要方向。相關(guān)技術(shù)既可用于康復(fù)訓(xùn)練和助老助殘，也可服務(wù)于工業(yè)搬運(yùn)、負(fù)重行走等需要持續(xù)減輕下肢負(fù)擔(dān)的場(chǎng)景。

但現(xiàn)有膝關(guān)節(jié)外骨骼始終面臨一個(gè)兩難選擇。

傳統(tǒng)剛性外骨骼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力矩輸出直接、承載能力更強(qiáng)，但對(duì)人體自然運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)能力有限。柔性外骨骼通常采用織物、綁帶和繩索驅(qū)動(dòng)，穿戴更貼合，也更容易順應(yīng)動(dòng)作，但結(jié)構(gòu)容易變形，在高負(fù)載和精準(zhǔn)助力場(chǎng)景中，支撐能力通常不如剛性結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

因此，膝關(guān)節(jié)外骨骼需要解決的，不是在“剛”和“柔”之間做取舍，而是如何在順應(yīng)人體自然運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，提供足夠穩(wěn)定、可控的支撐。

剛性外骨骼、柔性外骨骼及高柔順變剛度外骨骼

02.

多段式結(jié)構(gòu)：先解決“怎么跟著膝蓋走”

這項(xiàng)研究，正是把“運(yùn)動(dòng)學(xué)兼容”和“變剛度支撐”放進(jìn)了同一個(gè)機(jī)械架構(gòu)里。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種繩驅(qū)動(dòng)多段式膝關(guān)節(jié)外骨骼。它不是用一個(gè)固定鉸鏈去強(qiáng)行匹配人體膝蓋，而是通過(guò)冗余旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和線性導(dǎo)軌，讓外骨骼在人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)被動(dòng)適應(yīng)自然運(yùn)動(dòng)軌跡。

簡(jiǎn)單理解，傳統(tǒng)外骨骼更像是一把硬尺子，它先設(shè)定好一條固定運(yùn)動(dòng)路徑，再要求人體照著這條路徑運(yùn)動(dòng)。這套多段式結(jié)構(gòu)則給膝關(guān)節(jié)留出了更多活動(dòng)空間。人體膝蓋在屈伸時(shí)發(fā)生滾動(dòng)和滑動(dòng)，外骨骼也能跟著調(diào)整位置，而不是死死卡在一個(gè)固定軸線上。

這一步很關(guān)鍵。因?yàn)橥夤趋乐挥邢茸龅健安惶韥y”，后續(xù)的助力才有意義。

03.

剛度可變：該支撐時(shí)支撐，該跟隨時(shí)跟隨

順著人體運(yùn)動(dòng)，只解決了一半問(wèn)題。如果一臺(tái)膝關(guān)節(jié)外骨骼只能跟著人走，卻不能在關(guān)鍵時(shí)刻提供支撐，那它更像護(hù)具，而不是助力機(jī)器人。

膝關(guān)節(jié)在不同動(dòng)作階段，對(duì)外骨骼的需求并不一樣。

人在站立、上坡、負(fù)重和下蹲起立時(shí)，需要更強(qiáng)的支撐；腿從后往前擺動(dòng)時(shí)，則更需要輕松、低阻力的跟隨。如果外骨骼始終保持高剛度，機(jī)器就會(huì)拖累自然步態(tài)；如果始終很軟，又很難真正承擔(dān)負(fù)荷。

研究團(tuán)隊(duì)采用了單執(zhí)行器繩驅(qū)動(dòng)方案。通過(guò)主動(dòng)調(diào)節(jié)繩索長(zhǎng)度，系統(tǒng)能夠改變外骨骼的剛度，同時(shí)保持較穩(wěn)定的力矩傳遞。其剛度調(diào)節(jié)范圍為0–207 Nm/rad，有效力臂超過(guò) 70 mm，單側(cè)外骨骼本體僅重0.63 kg。

這幾個(gè)數(shù)字值得拆開(kāi)看。

0–207 Nm/rad，說(shuō)明它不是固定彈簧，而是能在較寬范圍內(nèi)改變支撐特性；0.63 kg，意味著它不是笨重的機(jī)械腿，而是盡量控制在輕量化穿戴范圍內(nèi)；有效力臂超過(guò) 70 mm，則意味著它在力矩傳遞上有較好的機(jī)械條件。

換句話(huà)說(shuō)，它不是單純追求“軟”，也不是簡(jiǎn)單追求“硬”，而是試圖讓外骨骼在不同運(yùn)動(dòng)階段切換力學(xué)狀態(tài)，需要跟隨時(shí)盡量輕，需要支撐時(shí)及時(shí)發(fā)力。

04.

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：從“不添亂”到真正減負(fù)

一臺(tái)外骨骼到底有沒(méi)有價(jià)值，不能只看結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有多巧，也不能只看電機(jī)參數(shù)有多漂亮。

真正要回答的是三個(gè)問(wèn)題：剛度能不能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)？穿上之后會(huì)不會(huì)干擾自然動(dòng)作？在高負(fù)荷任務(wù)里，能不能真正減輕人體負(fù)擔(dān)？

研究團(tuán)隊(duì)為此進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試和人體實(shí)驗(yàn)。

• 第一步，是驗(yàn)證這套變剛度機(jī)構(gòu)本身是否可控。

在臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)外骨骼的剛度調(diào)節(jié)能力進(jìn)行了表征。結(jié)果顯示，該系統(tǒng)能夠在工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較精確的剛度控制，剛度控制均方根誤差（RMSE）不超過(guò) 0.035 Nm/rad。

這說(shuō)明，它可以通過(guò)繩索調(diào)節(jié)，在不同剛度狀態(tài)之間實(shí)現(xiàn)相對(duì)準(zhǔn)確的切換。

• 第二步，是驗(yàn)證它穿在人身上會(huì)不會(huì)干擾自然運(yùn)動(dòng)。

這是膝關(guān)節(jié)外骨骼最容易翻車(chē)的地方。因?yàn)橐坏C(jī)械結(jié)構(gòu)和人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡不匹配，外骨骼輸出的就不只是助力，也可能是額外約束。

在運(yùn)動(dòng)學(xué)相容性測(cè)試中，一名受試者分別完成了平地、上坡和下坡行走。結(jié)果顯示，與不穿外骨骼相比，助力狀態(tài)下髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度軌跡的平均均方根誤差分別在1～2度范圍內(nèi)。

這說(shuō)明，在測(cè)試條件下，外骨骼并沒(méi)有明顯改變?nèi)梭w本來(lái)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模式。

• 第三步，是看它在高負(fù)荷任務(wù)里能不能真正減輕人體負(fù)擔(dān)。

研究團(tuán)隊(duì)選擇了兩個(gè)對(duì)膝關(guān)節(jié)伸展能力要求較高的任務(wù)：5° 坡度下的上坡行走，以及重復(fù)深蹲。前者更接近日常移動(dòng)中的持續(xù)負(fù)荷，后者則更強(qiáng)調(diào)大角度屈伸和短時(shí)高負(fù)荷支撐。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在上坡行走任務(wù)中，穿戴外骨骼并開(kāi)啟助力后，受試者峰值膝關(guān)節(jié)力矩降低 24.5%，股外側(cè)肌峰值激活水平降低 23.9%，凈代謝率降低 13.5%。

在深蹲任務(wù)中，外骨骼通過(guò)動(dòng)態(tài)剛度調(diào)節(jié)提供支撐，受試者平均膝關(guān)節(jié)力矩降低 25.7%，股外側(cè)肌峰值激活水平降低 29.2%。

股外側(cè)肌是股四頭肌的重要組成部分，也是膝關(guān)節(jié)伸展時(shí)的關(guān)鍵肌肉。它的激活水平下降，意味著人體在完成同類(lèi)動(dòng)作時(shí)，目標(biāo)肌群需要付出的力更少。與此同時(shí)，膝關(guān)節(jié)力矩和凈代謝率的變化，也說(shuō)明外骨骼的作用不只體現(xiàn)在肌電信號(hào)上，還反映到了關(guān)節(jié)負(fù)擔(dān)和整體能耗上。

將這幾組實(shí)驗(yàn)連起來(lái)看，這套系統(tǒng)完成了三個(gè)層面的驗(yàn)證：剛度能夠調(diào)節(jié)，穿戴后不會(huì)明顯打亂自然動(dòng)作，也能在上坡和深蹲任務(wù)中減輕人體負(fù)擔(dān)。

當(dāng)然，這仍是一項(xiàng)論文階段的研究。目前，人體實(shí)驗(yàn)僅覆蓋 5 名體型相近的健康男性受試者，運(yùn)動(dòng)學(xué)相容性測(cè)試的樣本更為有限；控制策略仍相對(duì)基礎(chǔ)，模塊參數(shù)也有進(jìn)一步優(yōu)化空間。對(duì)于跑步等高速運(yùn)動(dòng)，以及不同體型、更多動(dòng)作和臨床人群，仍需要繼續(xù)驗(yàn)證。

從論文樣機(jī)走向真正可用的產(chǎn)品，還要進(jìn)一步回答長(zhǎng)期穿戴舒適性、可靠性、成本和安全認(rèn)證等一系列問(wèn)題。

05.

下一代外骨骼，要從“能助力”走向“會(huì)配合”

過(guò)去很多外骨骼的想象，是讓人穿上一套機(jī)械骨架，獲得“鋼鐵俠”式增強(qiáng)。但真正能日常使用的外骨骼，可能恰恰不是存在感最強(qiáng)的那種。

它應(yīng)該足夠輕，不讓人覺(jué)得負(fù)擔(dān)；足夠順，不打斷人體原本的運(yùn)動(dòng)節(jié)奏；足夠有力，在上坡、下蹲和負(fù)重這些真正需要支撐的時(shí)刻，替人體分擔(dān)一部分壓力。

這項(xiàng)研究的價(jià)值，也正在于此。它沒(méi)有把膝關(guān)節(jié)外骨骼簡(jiǎn)單做成一個(gè)更強(qiáng)的外部電機(jī)，而是先考慮人體膝關(guān)節(jié)怎么運(yùn)動(dòng)，再?zèng)Q外骨骼應(yīng)該如何配合，讓其在力學(xué)上更強(qiáng)，也在人機(jī)交互上更克制。

外骨骼的未來(lái)，可能不是把人包進(jìn)機(jī)器里。而是讓機(jī)器在需要的時(shí)候，剛好托住人。

論文鏈接：

https://journals.sagepub.com/doi/full/10.1177/02783649261443651