https://www.mdpi.com/2313-7673/9/3/173

期刊名：Biomimetics

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/biomimetics

在工业制造、物流搬运等场景中，工人频繁弯腰抬举重物，腰部极易积累疲劳甚至引发不可逆损伤。如何在保护腰椎的同时，不限制人体自由运动，还能灵活应对不同负载？这已成为可穿戴机器人领域的核心挑战。

来自韩国中央大学与加拿大拉瓦尔大学的研究团队在Biomimetics 期刊发表文章，提出了一款名为AeBS的准被动式背部支撑外骨骼 (图1)。该设备借鉴人体髋关节的解剖结构，并引入紧凑型可变重力补偿模块，实现了无运动范围限制的可变助力，为保护工人腰部提供了高效、节能的新思路

图1. (a) AeBS的整体外观；(b) AeBS由三个运行模块组成：上体模块、下体模块以及辅助扭矩源模块。

仿生髋关节：让机器“听懂”身体的自由

AeBS的核心创新之一，是模仿人体髋关节多轴球窝结构 (图2)。传统外骨骼常因刚性连接而限制穿戴者的髋部外展与旋转，影响步态和作业姿势。研究团队通过设置相交于同一点的髋屈曲轴与外展轴，使外骨骼能够顺应人体自然的骨盆与大腿运动。此外，脊柱避让连杆与大腿旋转绑带的设计，进一步避免了脊柱弯曲时外骨骼与身体的碰撞，提升了长时间穿戴的舒适性。

图2. (a) AeBS能实现多种动作；(b) 髋关节外展关节和大腿旋转关节的活动范围；(c) 连杆能避免与人体脊椎发生碰撞并能避开上半身的各种弯曲形状。

可变重力补偿：无级调助力，不牺牲活动范围

AeBS的另一项关键技术是改进型CVGC-II可变重力补偿模块。与依赖弹簧预压缩的传统被动外骨骼不同，CVGC-II通过微型电机驱动丝杠，改变杠杆支点位置，从而连续调节输出助力矩 (图3)。实验表明，其助力矩可在1.23 Nm至7.04 Nm范围内变化，覆盖髋关节135°屈曲行程，且全程不影响关节活动范围。同时，调节过程仅需消耗1 W功率，电机仅在调挡时工作，系统具备自锁特性，无需持续供电。

图3. (a) 杠杆比随支点位置变化而变化的情况；(b) 尽管支点位置发生变化，弹簧从动件的初始位置仍保持不变。因此，改变辅助模式不会影响髋关节的活动范围；(c) 改变杠杆比会改变弹簧系统的压缩长度，从而能够调节辅助扭矩。

台架验证：助力精准传递，结构可靠

研究团队设计了两个测试平台，分别测量CVGC-II原始输出扭矩与经外骨骼结构传递至大腿绑带的有效扭矩 (图4)。结果显示，在高低两种助力模式下，传递扭矩与原始扭矩的均方根误差仅为0.51 Nm与0.17 Nm，表明碳纤维与3D打印结构能够有效传递助力。尽管系统存在一定的迟滞现象 (上升阶段助力略低于下降阶段），但整体助力曲线与人体抬举/放下动作高度匹配 (图5)。

图4. (a) 用于测量改良型CVGC-II扭矩曲线的测试台装置；(b) 通过机器人结构测量扭矩曲线的测试台装置；(c) 机器人结构的几何形状，用于根据大腿袖带上的法向力计算辅助扭矩。

图5. 测量在低助力模式和高助力模式下的原始辅助扭矩曲线和传输辅助扭矩曲线。“Original”指的是经过改装的CVGC-II系统的扭矩曲线。“Transmitted”指的是通过机器人结构传递的经过改装的CVGC-II系统的扭矩曲线。

用户体验：舒适、可感、有效

七名受试者在穿戴AeBS完成不同负载 (8 kg/13 kg) 的抬举任务后，填写了可用性问卷。在满分5分的评分中，“抬举时感到舒适”（Q3) 得4.16分，“无疼痛感”（Q4) 得4.36分，“能清晰感受到助力”（Q5) 得4.26分，“能区分不同助力档位”（Q6) 得4.14分。这表明AeBS在真实场景中具有良好的可接受性与助力可调性。

总结与展望

AeBS成功融合了仿生关节设计与准被动式可变助力结构，在不消耗持续能源的前提下，实现了对腰部抬举动作的智能辅助。它既避免了主动外骨骼的高能耗问题，也克服了传统被动外骨骼助力不可调的局限。未来，研究团队将进一步优化AeBS内部摩擦以减少迟滞，并开展更大规模的生理负荷评估。

当外骨骼学会像人体一样灵活“弯腰”，护腰将不再以牺牲自由为代价。

原文出自 Biomimetics期刊

Song, G.; Moon, J.; Kim, J.; Lee, G. Development of Quasi-Passive Back-Support Exoskeleton with Compact Variable Gravity Compensation Module and Bio-Inspired Hip Joint Mechanism. Biomimetics 2024, 9, 173.

Biomimetics期刊介绍

主编：Stanislav N. Gorb, Kiel University, Germany

期刊致力于研究生物体的最基本方面及其特性向人类应用的转移。期刊旨在为材料科学、机械工程、纳米技术和生物医学领域的研究人员和专业人士提供一个平台，通过在工程系统、技术和生物医学中利用生物启发的设计，开发实现可持续创新的解决方案。

2025 Impact Factor: 4.2

2025 CiteScore: 6.2

Time to First Decision: 13.5 Days

Acceptance to Publication: 3.5 Days