外骨骼機器人(rén)源于對(duì)昆蟲等甲殼節肢類動物(wù)的(de)模仿，利用(yòng)外部結構爲生物(wù)提供保護、補足與支撐，從而增強使用(yòng)者的(de)運動、防護和(hé)适應環境的(de)能力。在與自然的(de)長(cháng)期鬥争中，早在遠(yuǎn)古時(shí)期，人(rén)們便已習(xí)得(de)依靠外界工具提升人(rén)的(de)能力的(de)方法，廣義上的(de)外骨骼器械可(kě)以追溯到古代士兵(bīng)所著(zhe)甲胄，但囿于技術、材料等多(duō)方面不足，傳統交互設備僅能從裝配者身上獲取驅動能量，甚至會出現行動受限、體能大(dà)幅消耗等副作用(yòng)，無法完全釋放出外骨骼的(de)可(kě)能性。
自20世紀60年代以來(lái)，随著(zhe)傳感、控制、人(rén)機交互以及能源技術等科技領域的(de)發展，外骨骼機器人(rén)逐漸從無動力、被動行走的(de)傳統程式控制，轉向自适應的(de)機電耦合操控系統與輕量化(huà)的(de)無源機械助力結構。
伴随外骨骼機器人(rén)的(de)快(kuài)速湧現與投産，行業迫切需要一種科學的(de)外骨骼助力效能測試體系，對(duì)外骨骼設備的(de)功能性、安全性與可(kě)行性進行系統評估，指導外骨骼的(de)研發、産品叠代及臨床使用(yòng)。該測試體系需要深刻理(lǐ)解人(rén)機交互做(zuò)功機理(lǐ)的(de)底層邏輯，不僅能橫向評估相似助力目标的(de)不同外骨骼設備，還(hái)可(kě)多(duō)方面檢驗外骨骼結構設計與控制策略，提供肌肉代償、自由度損失等問題的(de)改進依據。
現有的(de)國際标準，如ISO13482、IEC80601−2−78等，對(duì)用(yòng)于個(gè)人(rén)護理(lǐ)、醫療康複的(de)外骨骼設計具有一定借鑒意義，但在設備穩定性、接觸安全規範方面仍存在監管缺口。此外，目前大(dà)多(duō)外骨骼機器人(rén)評估指标較爲單一，可(kě)能因聚焦局限而導緻不全面的(de)評測結果。
性能檢驗之于外骨骼系統研究必不可(kě)少，但國内外研究者大(dà)多(duō)著(zhe)眼于外骨骼機器人(rén)本身進行發展現狀與核心技術分(fēn)析，缺乏助力效能測試技術的(de)針對(duì)性綜述。爲統一不同類型外骨骼性能的(de)評價方式， 建立助力效能評估的(de)标準化(huà)系統以供各類用(yòng)戶使用(yòng)，該篇文章(zhāng)基于 CiteSpace 軟件進行大(dà)數據分(fēn)析，揭示研究現狀及内在運行規律，總結出五種較爲通(tōng)用(yòng)的(de)外骨骼助力效能評估方法，并就其研究重點、應用(yòng)缺陷和(hé)發展方向進行剖析。
上圖爲：外骨骼機器人(rén)助力效能評估方法統計
注：“有源”指裝配有電機、液壓等驅動元件的(de)外骨骼；“無源”指僅裝配彈力拉帶、扭簧、氣動肌肉等彈性儲能元件且不含驅動部件的(de)外骨骼。
評估方法
● 代謝成本評估；
● 生物(wù)電信号評估；
● 運動學與動力學參數評估；
● 工況表現評估；
● 綜合評價模型。
實驗設計步驟
● 确定測試協議(yì)：根據被試特點和(hé)研究目的(de)，選擇适當的(de)運動序列、場(chǎng)景、速度與負重等。
● 采集評估參數：對(duì)于有源外骨骼，通(tōng)常在穿戴驅動使能外骨骼(EXO_ON)、穿戴驅動不使能外骨骼(EXO_OFF)、不穿戴外骨骼(NO_EXO)狀态下(xià)進行實驗；對(duì)于無源外骨骼，可(kě)僅進行穿戴外骨骼EXO_ON 與不穿戴外骨骼NO_EXO 實驗，或增加穿戴未安裝彈性儲能元件外骨骼的(de)實驗。基于不同穿戴狀态執行測試協議(yì)，借助傳感儀器測量評估參數或收集用(yòng)戶使用(yòng)反饋。
● 測試數據處理(lǐ)：通(tōng)常在多(duō)組實驗中截取運動穩定區(qū)段的(de)信号，以降低适應性幹擾、避免肌肉疲勞，必要時(shí)使用(yòng)濾波降噪方法得(de)到線性包絡線，随後基于預處理(lǐ)信号進行相關指标計算(suàn)或建立特定模型。
● 對(duì)比結果分(fēn)析：計算(suàn)測試指标變化(huà)率或進行統計性分(fēn)析，對(duì)不同控制條件下(xià)的(de)結果差異進行比較與析因，綜合評價外骨骼助力效果。
不同外骨骼機器人(rén)助力效能評估方法的(de)評價
代謝成本 評估 | 代謝成本評估的(de)優點在于直觀便捷，但無法反應局部肌肉的(de)能耗水(shuǐ)平，且容易受到體能狀況、呼吸節奏、姿态習(xí)慣等人(rén)因因素幹擾。相關研究表明(míng)，順勢擺動肘部時(shí)跑步耗氧量最低，呼吸節奏與踩踏單車同步時(shí)耗氧量最低，可(kě)見人(rén)體的(de)呼吸及運動習(xí)慣對(duì)代謝能耗的(de)影(yǐng)響不容小觑。此外，由于人(rén)體生理(lǐ)差異，量化(huà)标準不存在完全一緻，因此應進一步開展關于淨呼吸數值與外骨骼助力效能之間映射關系的(de)科學性驗證，将爲代謝成本助力評估提供理(lǐ)論依據。 |
生 物(wù) 電 信 号 評估 | 生物(wù)電信号評估的(de)優點在于無創采集，且蘊含肌力、關節力矩、關節運動量等豐富信息，但易受到肌肉阻抗、皮膚汗液、表皮毛發及外部電磁幹擾等因素的(de)影(yǐng)響，因此需要建立魯棒的(de)容錯機制，以防止表面電極脫落/偏移等非理(lǐ)想情形造成的(de)數據丢失/錯誤。 |
運 動 學 及 動 力 學 參 數 評 估 | 運動學及動力學參數的(de)優點在于能夠直接從人(rén)的(de)角度出發，描述人(rén)機交互特征，但仍存在評估缺陷，如關節參數、質心(Center of Mass, COM)及COP等運動學評估指标獲取方式較爲複雜(zá)，對(duì)人(rén)體力學建模要求較高(gāo)；步長(cháng)、步寬等步态評估指标，對(duì)傳感設備及步态事件自動檢測算(suàn)法精度依賴性較強；輔助扭矩等動力學評估指标的(de)計算(suàn)則脫胎于特定機械結構與執行元件，方法遷移性較差。 |
工況表現評估 | 工況表現評估依賴于受試者在實驗過程中的(de)表現，對(duì)于其評判準确性的(de)質疑在于無法完全複現受試者的(de)生理(lǐ)狀況與受試環境，尤其在重複性、爆發力測試等實驗過程中，即使存在休息間隔，也(yě)難以避免肌肉勞損及實驗誤差。鑒于此，部分(fēn)研究者選擇采用(yòng)仿真建模的(de)方法進行外骨骼助力效能評估，該方法旨在使用(yòng)計算(suàn)機控制人(rén)因因素，模拟人(rén)機協同運動，可(kě)同時(shí)模拟多(duō)個(gè)個(gè)體的(de)生理(lǐ)指标、設計多(duō)種運動模式。 |
綜 合 評 價 模 型 | 設計原理(lǐ)與目标功能方面的(de)差異性，同一套綜合評價模型的(de)遷移使用(yòng)存在一定難度；而将多(duō)重評估指标融合爲一個(gè)或幾個(gè)直觀評分(fēn)，是否會造成數據特征丢失、爲外骨骼橫向比較提供可(kě)操作空間，也(yě)有待進一步討(tǎo)論。因此，如何提升綜合評價模型的(de)兼容性，拓寬模型應用(yòng)場(chǎng)景、滿足不同外骨骼的(de)測試需求，将是未來(lái)研究的(de)重點發展方向，譬如設置權重參數自适用(yòng)調整機制、測試環境選擇庫及評估單元模塊化(huà)等。 |
本文詳細分(fēn)析了(le)基于代謝成本、生物(wù)電信号、運動學及動力學參數、工況表現及綜合評價模型的(de)關鍵評價指标、技術優勢與評估局限，闡釋國内外外骨骼機器人(rén)助力效能測試技術的(de)研究動向。伴随著(zhe)外骨骼機器人(rén)核心技術的(de)不斷突破，對(duì)标外骨骼産業後端的(de)助力效能評估體系研究也(yě)逐漸提上日程。一直以來(lái)，由于缺乏标準化(huà)度量方式，難以綜合對(duì)比不同來(lái)源的(de)研究結果，外骨骼助力性能優劣往往形成“一家之言”，因而需要建立一種切實有效的(de)橫向評價模型，實現跨樣本數據的(de)系統性比較，助力效能評估體系的(de)建立對(duì)于加速外骨骼研發進程、倒逼性能升級具有重要意義。
文獻引用(yòng)：[1]劉亞麗,魯妍池,徐小龍等.外骨骼機器人(rén)助力效能測試方法及應用(yòng)綜述[J/OL].兵(bīng)工學報,1-24.
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