北大团队IJRR顶刊最新成果！刚柔并济，外骨骼不只有力，还懂得如何配合人体

穿上一台膝关节外骨骼，最怕的不是它不够有力，而是它太“强势”。

很多传统外骨骼喜欢把人的膝盖理解成一个机械铰链，大腿一根杆，小腿一根杆，中间一个轴，弯曲、伸直，问题解决。

但人体膝关节不是这么工作的。人在走路、爬坡、下蹲时，膝关节内部并不是固定绕着一个点转动，而是同时伴随着滚动和滑动。股骨和胫骨之间的相对位置不断变化，瞬时旋转中心也会随之移动。

这就带来一个外骨骼领域长期绕不开的问题：机器的轴线，常常对不上人的关节。对不上，就会拉扯。轻则穿戴不适、绑带滑移，重则增加关节负担。外骨骼本来是来帮忙的，最后却可能变成一套限制人体动作的机械框架。

近日，北京大学人工智能研究院周志浩、先进制造与机器人学院王启宁教授团队在机器人领域顶级期刊《The International Journal of Robotics Research》（IJRR）发表最新成果，提出了一种高柔顺、变刚度、运动学兼容的多段式膝关节外骨骼设计方法。

论文第一作者为北京大学王启宁教授团队博士研究生徐明，通讯作者为北京大学周志浩博士，合作者包括北京大学硕士毕业生娄文杰、山东大学博士研究生代孝林、北京大学硕士研究生王润和美国哥伦比亚大学Sunil Agrawal教授。该研究获得了国家自然科学基金项目资助 (No. 524B2044, 52375001, 52475001)。

这项研究要解决的核心问题很直接：如何让外骨骼在提供支撑的同时，尽量减少对人体自然运动的干扰。

膝关节是人体下肢承重和运动的关键关节。

平地行走时，它要配合髋、踝完成步态转换；上坡时，它要承担更多伸膝负荷；深蹲起立时，它又要在大角度屈伸中提供支撑。一旦力量下降或出现损伤，行走、起立、上下楼梯都会受到直接影响。

因此，如何减轻膝关节负担，一直是下肢外骨骼研究的重要方向。相关技术既可用于康复训练和助老助残，也可服务于工业搬运、负重行走等需要持续减轻下肢负担的场景。

但现有膝关节外骨骼始终面临一个两难选择。

传统刚性外骨骼结构简单、力矩输出直接、承载能力更强，但对人体自然运动的适应能力有限。柔性外骨骼通常采用织物、绑带和绳索驱动，穿戴更贴合，也更容易顺应动作，但结构容易变形，在高负载和精准助力场景中，支撑能力通常不如刚性结构稳定。

因此，膝关节外骨骼需要解决的，不是在“刚”和“柔”之间做取舍，而是如何在顺应人体自然运动的同时，提供足够稳定、可控的支撑。

刚性外骨骼、柔性外骨骼及高柔顺变刚度外骨骼

这项研究，正是把“运动学兼容”和“变刚度支撑”放进了同一个机械架构里。

研究团队设计了一种绳驱动多段式膝关节外骨骼。它不是用一个固定铰链去强行匹配人体膝盖，而是通过冗余旋转关节和线性导轨，让外骨骼在人体膝关节运动时被动适应自然运动轨迹。

简单理解，传统外骨骼更像是一把硬尺子，它先设定好一条固定运动路径，再要求人体照着这条路径运动。这套多段式结构则给膝关节留出了更多活动空间。人体膝盖在屈伸时发生滚动和滑动，外骨骼也能跟着调整位置，而不是死死卡在一个固定轴线上。

这一步很关键。因为外骨骼只有先做到“不添乱”，后续的助力才有意义。

顺着人体运动，只解决了一半问题。如果一台膝关节外骨骼只能跟着人走，却不能在关键时刻提供支撑，那它更像护具，而不是助力机器人。

膝关节在不同动作阶段，对外骨骼的需求并不一样。

人在站立、上坡、负重和下蹲起立时，需要更强的支撑；腿从后往前摆动时，则更需要轻松、低阻力的跟随。如果外骨骼始终保持高刚度，机器就会拖累自然步态；如果始终很软，又很难真正承担负荷。

研究团队采用了单执行器绳驱动方案。通过主动调节绳索长度，系统能够改变外骨骼的刚度，同时保持较稳定的力矩传递。其刚度调节范围为0–207 Nm/rad，有效力臂超过 70 mm，单侧外骨骼本体仅重0.63 kg。

这几个数字值得拆开看。

0–207 Nm/rad，说明它不是固定弹簧，而是能在较宽范围内改变支撑特性；0.63 kg，意味着它不是笨重的机械腿，而是尽量控制在轻量化穿戴范围内；有效力臂超过 70 mm，则意味着它在力矩传递上有较好的机械条件。

换句话说，它不是单纯追求“软”，也不是简单追求“硬”，而是试图让外骨骼在不同运动阶段切换力学状态，需要跟随时尽量轻，需要支撑时及时发力。

一台外骨骼到底有没有价值，不能只看结构设计有多巧，也不能只看电机参数有多漂亮。

真正要回答的是三个问题：刚度能不能准确调节？穿上之后会不会干扰自然动作？在高负荷任务里，能不能真正减轻人体负担？

研究团队为此进行了台架测试和人体实验。

• 第一步，是验证这套变刚度机构本身是否可控。

在台架实验中，研究团队对外骨骼的刚度调节能力进行了表征。结果显示，该系统能够在工作范围内实现较精确的刚度控制，刚度控制均方根误差（RMSE）不超过 0.035 Nm/rad。

这说明，它可以通过绳索调节，在不同刚度状态之间实现相对准确的切换。

• 第二步，是验证它穿在人身上会不会干扰自然运动。

这是膝关节外骨骼最容易翻车的地方。因为一旦机械结构和人体膝关节运动轨迹不匹配，外骨骼输出的就不只是助力，也可能是额外约束。

在运动学相容性测试中，一名受试者分别完成了平地、上坡和下坡行走。结果显示，与不穿外骨骼相比，助力状态下髋、膝、踝关节角度轨迹的平均均方根误差分别在1～2度范围内。

这说明，在测试条件下，外骨骼并没有明显改变人体本来的关节运动模式。

• 第三步，是看它在高负荷任务里能不能真正减轻人体负担。

研究团队选择了两个对膝关节伸展能力要求较高的任务：5° 坡度下的上坡行走，以及重复深蹲。前者更接近日常移动中的持续负荷，后者则更强调大角度屈伸和短时高负荷支撑。

实验结果显示，在上坡行走任务中，穿戴外骨骼并开启助力后，受试者峰值膝关节力矩降低 24.5%，股外侧肌峰值激活水平降低 23.9%，净代谢率降低 13.5%。

在深蹲任务中，外骨骼通过动态刚度调节提供支撑，受试者平均膝关节力矩降低 25.7%，股外侧肌峰值激活水平降低 29.2%。

股外侧肌是股四头肌的重要组成部分，也是膝关节伸展时的关键肌肉。它的激活水平下降，意味着人体在完成同类动作时，目标肌群需要付出的力更少。与此同时，膝关节力矩和净代谢率的变化，也说明外骨骼的作用不只体现在肌电信号上，还反映到了关节负担和整体能耗上。

将这几组实验连起来看，这套系统完成了三个层面的验证：刚度能够调节，穿戴后不会明显打乱自然动作，也能在上坡和深蹲任务中减轻人体负担。

当然，这仍是一项论文阶段的研究。目前，人体实验仅覆盖 5 名体型相近的健康男性受试者，运动学相容性测试的样本更为有限；控制策略仍相对基础，模块参数也有进一步优化空间。对于跑步等高速运动，以及不同体型、更多动作和临床人群，仍需要继续验证。

从论文样机走向真正可用的产品，还要进一步回答长期穿戴舒适性、可靠性、成本和安全认证等一系列问题。

过去很多外骨骼的想象，是让人穿上一套机械骨架，获得“钢铁侠”式增强。但真正能日常使用的外骨骼，可能恰恰不是存在感最强的那种。

它应该足够轻，不让人觉得负担；足够顺，不打断人体原本的运动节奏；足够有力，在上坡、下蹲和负重这些真正需要支撑的时刻，替人体分担一部分压力。

这项研究的价值，也正在于此。它没有把膝关节外骨骼简单做成一个更强的外部电机，而是先考虑人体膝关节怎么运动，再决外骨骼应该如何配合，让其在力学上更强，也在人机交互上更克制。

外骨骼的未来，可能不是把人包进机器里。而是让机器在需要的时候，刚好托住人。

论文链接：

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