外骨骼机器人助力效能测试方法及应用综述
外骨骼机器人助力效能测试方法及应用综述
外骨骼机器人源于对昆虫等甲壳节肢类动物的模仿，利用外部结构为生物提供保护、补足与支撑，从而增强使用者的运动、防护和适应环境的能力。随着传感、控制、人机交互以及能源技术等科技领域的发展，外骨骼机器人逐渐从无动力、被动行走的传统程式控制，转向自适应的机电耦合操控系统与轻量化的无源机械助力结构。
伴随外骨骼机器人的快速涌现与投产，行业迫切需要一种科学的外骨骼助力效能测试体系，对外骨骼设备的功能性、安全性与可行性进行系统评估，指导外骨骼的研发、产品迭代及临床使用。该测试体系需要深刻理解人机交互做功机理的底层逻辑，不仅能横向评估相似助力目标的不同外骨骼设备，还可多方面检验外骨骼结构设计与控制策略，提供肌肉代偿、自由度损失等问题的改进依据。
现有的国际标准，如ISO13482、IEC80601−2−78等，对用于个人护理、医疗康复的外骨骼设计具有一定借鉴意义，但在设备稳定性、接触安全规范方面仍存在监管缺口。此外，目前大多外骨骼机器人评估指标较为单一，可能因聚焦局限而导致不全面的评测结果。
性能检验之于外骨骼系统研究必不可少，但国内外研究者大多着眼于外骨骼机器人本身进行发展现状与核心技术分析，缺乏助力效能测试技术的针对性综述。为统一不同类型外骨骼性能的评价方式， 建立助力效能评估的标准化系统以供各类用户使用，该篇文章基于 CiteSpace 软件进行大数据分析，揭示研究现状及内在运行规律，总结出五种较为通用的外骨骼助力效能评估方法，并就其研究重点、应用缺陷和发展方向进行剖析。
评估方法
- 代谢成本评估
- 生物电信号评估
- 运动学与动力学参数评估
- 工况表现评估
- 综合评价模型
实验设计步骤
- 确定测试协议：根据被试特点和研究目的，选择适当的运动序列、场景、速度与负重等。
- 采集评估参数：对于有源外骨骼，通常在穿戴驱动使能外骨骼(EXO_ON)、穿戴驱动不使能外骨骼(EXO_OFF)、不穿戴外骨骼(NO_EXO)状态下进行实验；对于无源外骨骼，可仅进行穿戴外骨骼EXO_ON 与不穿戴外骨骼NO_EXO 实验，或增加穿戴未安装弹性储能元件外骨骼的实验。基于不同穿戴状态执行测试协议，借助传感仪器测量评估参数或收集用户使用反馈。
- 测试数据处理：通常在多组实验中截取运动稳定区段的信号，以降低适应性干扰、避免肌肉疲劳，必要时使用滤波降噪方法得到线性包络线，随后基于预处理信号进行相关指标计算或建立特定模型。
- 对比结果分析：计算测试指标变化率或进行统计性分析，对不同控制条件下的结果差异进行比较与析因，综合评价外骨骼助力效果。
不同外骨骼机器人助力效能评估方法的评价
代谢成本评估
代谢成本评估的优点在于直观便捷，但无法反应局部肌肉的能耗水平，且容易受到体能状况、呼吸节奏、姿态习惯等人因因素干扰。相关研究表明，顺势摆动肘部时跑步耗氧量最低，呼吸节奏与踩踏单车同步时耗氧量最低，可见人体的呼吸及运动习惯对代谢能耗的影响不容小觑。此外，由于人体生理差异，量化标准不存在完全一致，因此应进一步开展关于净呼吸数值与外骨骼助力效能之间映射关系的科学性验证，将为代谢成本助力评估提供理论依据。
生物电信号评估
生物电信号评估的优点在于无创采集，且蕴含肌力、关节力矩、关节运动量等丰富信息，但易受到肌肉阻抗、皮肤汗液、表皮毛发及外部电磁干扰等因素的影响，因此需要建立鲁棒的容错机制，以防止表面电极脱落/偏移等非理想情形造成的数据丢失/错误。
运动学及动力学参数评估
运动学及动力学参数的优点在于能够直接从人的角度出发，描述人机交互特征，但仍存在评估缺陷，如关节参数、质心(Center of Mass, COM)及COP等运动学评估指标获取方式较为复杂，对人体力学建模要求较高；步长、步宽等步态评估指标，对传感设备及步态事件自动检测算法精度依赖性较强；辅助扭矩等动力学评估指标的计算则脱胎于特定机械结构与执行元件，方法迁移性较差。
工况表现评估
工况表现评估依赖于受试者在实验过程中的表现，对于其评判准确性的质疑在于无法完全复现受试者的生理状况与受试环境，尤其在重复性、爆发力测试等实验过程中，即使存在休息间隔，也难以避免肌肉劳损及实验误差。鉴于此，部分研究者选择采用仿真建模的方法进行外骨骼助力效能评估，该方法旨在使用计算机控制人因因素，模拟人机协同运动，可同时模拟多个个体的生理指标、设计多种运动模式。
综合评价模型
设计原理与目标功能方面的差异性，同一套综合评价模型的迁移使用存在一定难度；而将多重评估指标融合为一个或几个直观评分，是否会造成数据特征丢失、为外骨骼横向比较提供可操作空间，也有待进一步讨论。因此，如何提升综合评价模型的兼容性，拓宽模型应用场景、满足不同外骨骼的测试需求，将是未来研究的重点发展方向，譬如设置权重参数自适用调整机制、测试环境选择库及评估单元模块化等。
本文详细分析了基于代谢成本、生物电信号、运动学及动力学参数、工况表现及综合评价模型的关键评价指标、技术优势与评估局限，阐释国内外外骨骼机器人助力效能测试技术的研究动向。伴随着外骨骼机器人核心技术的不断突破，对标外骨骼产业后端的助力效能评估体系研究也逐渐提上日程。一直以来，由于缺乏标准化度量方式，难以综合对比不同来源的研究结果，外骨骼助力性能优劣往往形成“一家之言”，因而需要建立一种切实有效的横向评价模型，实现跨样本数据的系统性比较，助力效能评估体系的建立对于加速外骨骼研发进程、倒逼性能升级具有重要意义。
文献引用：刘亚丽,鲁妍池,徐小龙等.外骨骼机器人助力效能测试方法及应用综述[J/OL].兵工学报,1-24.