外骨骼機器人源于對昆蟲等甲殼節肢類動物的模仿，利用外部結構為生物提供保護、補足與支撐，從而增強使用者的運動、防護和適應環境的能力。在與自然的長期斗爭中，早在遠古時期，人們便已習得依靠外界工具提升人的能力的方法，廣義上的外骨骼器械可以追溯到古代士兵所著甲胄，但囿于技術、材料等多方面不足，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、體能大幅消耗等副作用，無法完全釋放出外骨骼的可能性。
自20世紀60年代以來，隨著傳感、控制、人機交互以及能源技術等科技領域的發展，外骨骼機器人逐漸從無動力、被動行走的傳統程式控制，轉向自適應的機電耦合操控系統與輕量化的無源機械助力結構。
伴隨外骨骼機器人的快速涌現與投產，行業迫切需要一種科學的外骨骼助力效能測試體系，對外骨骼設備的功能性、安全性與可行性進行系統評估，指導外骨骼的研發、產品迭代及臨床使用。該測試體系需要深刻理解人機交互做功機理的底層邏輯，不僅能橫向評估相似助力目標的不同外骨骼設備，還可多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改進依據。
現有的國際標準，如ISO13482、IEC80601?2?78等，對用于個人護理、醫療康復的外骨骼設計具有一定借鑒意義，但在設備穩定性、接觸安全規范方面仍存在監管缺口。此外，目前大多外骨骼機器人評估指標較為單一，可能因聚焦局限而導致不全面的評測結果。
性能檢驗之于外骨骼系統研究必不可少，但國內外研究者大多著眼于外骨骼機器人本身進行發展現狀與核心技術分析，缺乏助力效能測試技術的針對性綜述。為統一不同類型外骨骼性能的評價方式， 建立助力效能評估的標準化系統以供各類用戶使用，該篇文章基于 CiteSpace 軟件進行大數據分析，揭示研究現狀及內在運行規律，總結出五種較為通用的外骨骼助力效能評估方法，并就其研究重點、應用缺陷和發展方向進行剖析。
上圖為：外骨骼機器人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外骨骼。
評估方法
● 代謝成本評估；
● 生物電信號評估；
● 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
● 確定測試協議：根據被試特點和研究目的，選擇適當的運動序列、場景、速度與負重等。
● 采集評估參數：對于有源外骨骼，通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)狀態下進行實驗；對于無源外骨骼，可僅進行穿戴外骨骼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實驗?；诓煌┐鳡顟B執行測試協議，借助傳感儀器測量評估參數或收集用戶使用反饋。
● 測試數據處理：通常在多組實驗中截取運動穩定區段的信號，以降低適應性干擾、避免肌肉疲勞，必要時使用濾波降噪方法得到線性包絡線，隨后基于預處理信號進行相關指標計算或建立特定模型。
● 對比結果分析：計算測試指標變化率或進行統計性分析，對不同控制條件下的結果差異進行比較與析因，綜合評價外骨骼助力效果。
不同外骨骼機器人助力效能評估方法的評價
代謝成本 評估 | 代謝成本評估的優點在于直觀便捷，但無法反應局部肌肉的能耗水平，且容易受到體能狀況、呼吸節奏、姿態習慣等人因因素干擾。相關研究表明，順勢擺動肘部時跑步耗氧量最低，呼吸節奏與踩踏單車同步時耗氧量最低，可見人體的呼吸及運動習慣對代謝能耗的影響不容小覷。此外，由于人體生理差異，量化標準不存在完全一致，因此應進一步開展關于凈呼吸數值與外骨骼助力效能之間映射關系的科學性驗證，將為代謝成本助力評估提供理論依據。 |
生 物 電 信 號 評估 | 生物電信號評估的優點在于無創采集，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干擾等因素的影響，因此需要建立魯棒的容錯機制，以防止表面電極脫落/偏移等非理想情形造成的數據丟失/錯誤。 |
運 動 學 及 動 力 學 參 數 評 估 | 運動學及動力學參數的優點在于能夠直接從人的角度出發，描述人機交互特征，但仍存在評估缺陷，如關節參數、質心(Center of Mass, COM)及COP等運動學評估指標獲取方式較為復雜，對人體力學建模要求較高；步長、步寬等步態評估指標，對傳感設備及步態事件自動檢測算法精度依賴性較強；輔助扭矩等動力學評估指標的計算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表現，對于其評判準確性的質疑在于無法完全復現受試者的生理狀況與受試環境，尤其在重復性、爆發力測試等實驗過程中，即使存在休息間隔，也難以避免肌肉勞損及實驗誤差。鑒于此，部分研究者選擇采用仿真建模的方法進行外骨骼助力效能評估，該方法旨在使用計算機控制人因因素，模擬人機協同運動，可同時模擬多個個體的生理指標、設計多種運動模式。 |
綜 合 評 價 模 型 | 設計原理與目標功能方面的差異性，同一套綜合評價模型的遷移使用存在一定難度；而將多重評估指標融合為一個或幾個直觀評分，是否會造成數據特征丟失、為外骨骼橫向比較提供可操作空間，也有待進一步討論。因此，如何提升綜合評價模型的兼容性，拓寬模型應用場景、滿足不同外骨骼的測試需求，將是未來研究的重點發展方向，譬如設置權重參數自適用調整機制、測試環境選擇庫及評估單元模塊化等。 |
本文詳細分析了基于代謝成本、生物電信號、運動學及動力學參數、工況表現及綜合評價模型的關鍵評價指標、技術優勢與評估局限，闡釋國內外外骨骼機器人助力效能測試技術的研究動向。伴隨著外骨骼機器人核心技術的不斷突破，對標外骨骼產業后端的助力效能評估體系研究也逐漸提上日程。一直以來，由于缺乏標準化度量方式，難以綜合對比不同來源的研究結果，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橫向評價模型，實現跨樣本數據的系統性比較，助力效能評估體系的建立對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：[1]劉亞麗,魯妍池,徐小龍等.外骨骼機器人助力效能測試方法及應用綜述[J/OL].兵工學報,1-24.
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