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Technical articles
更新日期：2026-08-18
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01
行业背景：从“人机隔离"到“人机共融"
外骨骼机器人的工作原理决定了人机之间必须进行紧密、连续且主动的物理接触，传统的电气安全和机械防护标准已无法覆盖这一新兴领域的安全风险。2014年，国际标准化组织推出了专门针对个人护理机器人的协调标准ISO 13482；2026年新版标准将应用范畴正式延伸至商业与专业服务机器人。这一标准的突破性在于，它针对机器人与皮肤接触应力、动力失效、瞬态冲击提出了严格规范。
在中国市场，医用外骨骼当前主要归入二类或三类医疗器械注册（NMPA），通用要求必须符合IEC 60601（电气安全）与ISO 13485（质量管理）。随着国家药监局加快推进医用外骨骼机器人相关标准的制修订工作，行业正迎来规范化发展的关键窗口期。
然而，传统工业规范已无法覆盖人机共融场景下的安全与效能评估，行业亟需一套面向人因与生物力学深度验证的现代化评价体系。
表1 传统工业规范（灰色）现代准入标准（蓝色）
02
合规法则重塑：解决数据盲区与测试瓶颈
数据盲区与测试瓶颈
在目前的产业合规链条中，存在着显著的“数据盲区"与测试瓶颈。首先，传统的人因工效评估严重依赖主观问卷自评（如北欧肌肉骨骼问卷 NMQ、自觉疲劳量表 RPE），这类数据缺乏连续性与客观量化支持，难以作为技术文件直接支撑高度严苛的国际合规审计。其次，现有的生物力学研究大多局限于高度理想化的实验室环境，且测试样本通常为单一、同质化的年轻健康群体，缺乏对于复杂动态工况（如地面不平整、多任务干扰和化学辐射环境）的生态效度验证。更关键的是，许多评估忽视了物理减负与认知负荷之间的代偿关系，未能在统一的时空轴上对人体运动的空间轨迹、外周代谢消耗及中枢心理负荷进行多模态关联解码 。单一模态数据研究结论说服力薄弱，多模态数据融合是研究趋势。
人机“适配度"评估体系
为了打破这些盲区，我们提出构建“数据驱动的三层多模态评价标准体系"。
我们将评估划分为：最外层的“运动与空间层"，回答人机协同的几何运动学是否协调；中间的“外周与代谢层’，量化人体的骨骼肌系统与心肺循环系统在辅助下的实际减负百分比；以及最深处的“中枢与认知层"，揭示大脑前额叶在调控和适应外骨骼时的心理控制成本。只有这三层数据闭环联动，才能拼凑出外骨骼人机工效的完整全景图。
可穿戴机器人的介入，本质上对人类中枢神经系统运动控制闭环进行了重构。外骨骼系统的辅助力并非直接施加于物料上，而是作用于人体肢体，穿戴者在完成工作任务（主任务）的同时，大脑必须持续分配多余的注意力去控制、自适应或对抗外骨骼的机械反馈力（次任务），这也是以往合规评价中最缺失的一块。
中枢与认知层——心智适配度
量化目标：识别并量化心理负荷，排除中枢认知资源挤占与对抗。
当外骨骼控制算法与人体意图产生冲突、响应延迟或力回馈不稳定时，受试者前额叶区域的 θ 波功率明显上升，伴随顶叶 α 波抑制， 工作负荷指数急剧攀升，证实系统对用户中枢神经产生了心理认知压力；
研究表明，在大脑接受复杂双任务干扰时（如一边操作外骨骼搬运一边应对急救信号），中枢心理负荷的急剧上升会大幅挤占大脑运动控制资源。在实际生理效应中，这不仅抵消了外骨骼原本提供的腰椎机械减负和脊柱剪切力节省，还导致动作协调度崩溃，人体因代偿性发力反而产生了更高的受伤隐患。
当人机协同度差时，背外侧前额叶区域由于执行多任务管理与监控冲突，血氧代谢水平显著上升，导致大量神经资源被抢占。
核心测评模块：
便携式脑电（EEG） ：8/20/32通道干/湿电极（500Hz），32/64通道湿电极（4000Hz）；实时监测前额叶θ波与顶叶α波，提取频段功率及事件相关脑电变化，量化注意分配、认知负荷与人机控制冲突；
功能性近红外光谱（fNIRS） ：40–60通道SiPD硅光电二极管（240Hz），或27通道LED光源（150Hz）；监测前额叶氧合、脱氧及总血红蛋白变化，评估脑区激活与神经资源占用；
EEG与fNIRS联合方案：同步融合脑电活动与脑血氧响应，交叉验证认知负荷变化，提高动态运动场景下心智负荷评估的准确性。
外周与代谢层——生理适配度
量化目标：证实骨骼肌疲劳延缓速率和心血管代谢成本的实质节省。
研究证实，外骨骼可有效降低行走代谢成本。实验数据显示，穿戴外骨骼并开启助力后，受试者净代谢率可降低13.5%。一项数据驱动的研究中，外骨骼辅助实现了净代谢率10.1%的降低；另有刚柔耦合下肢外骨骼实现了13.22%的代谢成本降低。
在外周与代谢层，我们主要通过表面肌电 sEMG 和局部近红外肌氧 NIRS，结合心肺代谢测试，来评估外骨骼对人体的骨骼肌和心血管系统的‘实际减负增效’。运动能力提升的生理基础在于骨骼肌疲劳的延缓和心血管系统能量消耗的降低。外周与代谢层的合规量化，旨在通过表面肌电图（sEMG）、局部肌肉氧饱和度（sMO2）与心肺气体代谢（VO2/VCO2）的同步联合监测，实现从微观肌纤维募集到宏观能量转化的全景量化。
核心测评模块：
无线表面肌电测试系统：轻便的无线肌电传感器，连续工作10小时，WiFi无线传输距离40m，18/36通道支持视频同步，通道间时间同步差异＜5μS，能量化主要肌群的激活时序、幅值、协同模式及疲劳特征，拥有独特的水下肌电测试专有型号；
便携式高密度肌电测试系统：单台最多记录64通道，多台同步可扩展至256通道；支持肌肉空间激活映射及运动单位募集分析，精细评价外骨骼辅助下的神经肌肉控制机制；
便携式肌氧测试系统 ：持续测量氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白及组织氧饱和度，支持无线实时与离线采集；分析局部肌肉耗氧、脱氧及运动后再氧合恢复过程；
运动心肺功能测试系统：精准采集摄氧量、二氧化碳产生量、通气量、无氧阈值、代谢当量、氧脉搏、心率及呼吸交换率；计算净代谢功率和单位距离能耗，量化外骨骼的节能效果与运动耐受改善。
运动与空间层——轨迹协同适配度
量化目标：验证运动学和动力学轨迹的深度适配，确保对人体动作的高效顺应与精确辅助。
运动学层面的适配是外骨骼效能的基础保障。以WalkON髋关节辅助装置为例，数据证明其不仅增加了髋关节的活动范围（ROM+10.64%），且未改变髋关节速度的轨迹，证明系统能够与人体运动轨迹实现良好的运动学兼容。
在动力学层面，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%。膝关节力矩的变化说明外骨骼的作用不只体现在肌电信号和代谢率上，还反映到了关节负担和整体能耗上。
核心测评模块：
光学三维运动捕捉系统：高精度捕捉人体及外骨骼三维运动轨迹，输出关节角度、活动范围、角速度和节段协调性，识别人机轨迹偏差及动作代偿；
惯性三维运动捕捉系统：不受固定场地限制，可连续采集身体姿态、关节角度、加速度及步态时空参数，验证真实作业环境下的人机运动适配性；
三维测力跑台：同步采集三维地面反作用力与足底压力分布，分析压力中心、接触时间、步频、加载速率及步态对称性；
三维测力台（嵌入式） ：精准测量三维地面反作用力、力矩及压力中心轨迹，结合运动捕捉数据，计算关节力矩、关节功率与动态平衡能力；
分布式三维测力跑台：连续采集多个步态周期的三维地面反作用力与压力分布，分析冲量、加载速率、蹬伸特征及左右负荷对称性；
无标记动捕系统：无需粘贴标记点或穿戴专用服装，通过视频与AI姿态识别快速重建人体三维骨架，输出关节角度、运动轨迹及步态时空参数。
03
多模态数据融合：HRT人类行为研究平台
单一数据研究结论说服力薄弱，多模态数据融合是研究趋势。赢富集团子公司互科智能研发的人类行为研究平台Human Research Tool（HRT），创新性地实现了多设备数据的同步采集与融合分析：
已集成的主流设备（20+种）：
运动学：光学动捕、惯性动捕、无标记动捕
大脑神经：脑电（EEG）、近红外脑成像（fNIRS）
生理信号：无线表面肌电（sEMG）、多导生理仪
能量代谢：肌氧测试、心肺功能测试
动力学：测力跑台、测力台、功率车、压力分布
眼动追踪：桌面式眼动，头戴式眼动、三维眼动和虚拟现实眼动
环境与其他：视频、音频、面部表情、手指轨迹、VR/AR
集成设备一览表
HRT平台解决了多设备同步采集的核心痛点：其他终端的触发事件如何同步触发？离开实验环境录制的数据如何进行同步对齐？平台支持实验设计、数据采集、数据回放、处理分析与实验管理的全流程闭环。
外骨骼机器人从“人机隔离"迈向“人机共融"，其安全性与效能评估必须突破传统工业规范的局限，建立覆盖中枢认知、外周代谢、运动空间三个层面的数据驱动型多维评估体系。
04
应用案例
为助力行业研究者深入把握外骨骼机器人领域的前沿动态与技术路径，我们制作了本论文集，遴选近年来发表于期刊的30篇高质量研究论文，涵盖坐站转换辅助、步态分析与控制、脊柱生物力学加载、肩部界面力学特性、代谢能耗优化、肌肉动态个体化建模及人机交互适应性等核心方向。欢迎扫描下方二维码，免费获取完整论文集。
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