Science Robotics最新模块化开源外骨骼系统

想象一下，当你爬山时有一套装置帮你减轻腿部负担，当你搬运重物时有机械臂协助你省力，当你长时间行走后依然精力充沛……近日，北亚利桑那大学的研究团队在《Science Robotics》期刊上发表了一项突破性成果，他们不仅开发了一套模块化的外骨骼系统，更重要的是将整个系统完全开源，包括软件、硬件、电子设计和控制方案，让更多研究者能够参与到这个充满潜力的领域中来。

▍打破外骨骼研发的高门槛

外骨骼技术虽然在过去15年里经历了快速发展期，但始终面临着一个核心问题：门槛太高。

开发一套外骨骼系统需要机械工程、电气工程、机器人控制、生物力学等多个学科的专业知识。从概念到实现，整个过程耗时长、成本高，许多有志于此的研究者望而却步。更让人头疼的是，现有的外骨骼系统大多是为特定用途设计的专用设备，局限在实验室环境中，难以适应新的研究问题和应用场景。

研究团队深刻认识到这些障碍的存在。论文中提到，目前的外骨骼研究存在三大问题：首先是高度专业化的设备缺乏灵活性，比如专门辅助踝关节的设备很难改造用于髋关节研究；其次是各研究机构使用的软硬件系统相互独立，形成了技术孤岛，研究成果难以复现；最后是封闭的系统导致实验样本量小，增加了研究结果不可重复的风险。

OpenExo的出现正是为了解决这些问题。研究团队采用了模块化设计理念，让整个系统像搭积木一样灵活组合。无论是想要辅助髋关节、踝关节还是肘关节，只需要更换相应的硬件模块，修改SD卡上的配置文件即可，无需重新编写代码或重新设计电路板。

▍模块化设计让外骨骼"随心所欲"

OpenExo的核心创新在于其高度模块化的系统架构。整个系统由四个主要部分组成：软件系统、电子架构、硬件接口和控制方案。

软件方面，研究团队使用C++和Arduino语言开发，采用继承多态性原理实现了高度的模块化。软件架构从整体到局部逐层细化，从外骨骼整体功能开始，深入到各个关节的具体控制。最巧妙的设计是，如果一个控制器可以用于多个关节，只需定义一次即可被任何兼容的关节调用，大大减少了代码冗余。

电子架构的设计理念是"简单直观"。与其他开源项目如FlexSEA采用的多块互联PCB设计不同，OpenExo选择了单板设计，可同时支持最多4个关节的控制。研究团队选用了CubeMars的AK系列电机，这些电机功率强大，能够为研究者在各种任务中提供足够的扭矩支持。更重要的是，整个AK系列电机都使用相同的CAN通信协议，研究者可以根据具体需求选择不同型号的电机。

硬件设计同样体现了模块化思想。研究团队开发了直驱式髋关节装置、鲍登线传动的踝关节装置和肘关节装置。所有配置都设计为与同一腰带接口兼容，可以快速组合和更换。髋关节硬件设计简单、易于制造、成本低廉，即使在开环控制下也能准确运行。整个系统采用腰带式设计，将电子设备和电池集成在腰带中，实现了完全无线化，可以在室内外各种环境中使用。

▍实验验证展现优越性能

研究团队通过台架测试和实际佩戴实验全面验证了OpenExo的性能。

在响应速度测试中，髋关节配置在6牛米的开环阶跃响应下，上升时间仅为3毫秒，超调量仅0.30%；踝关节配置在28牛米的闭环控制下，上升时间为65毫秒，欠调量仅1.8%；肘关节配置在10牛米阶跃响应下，上升时间为35.8毫秒，超调量6.4%。这些性能指标与现有文献报道的其他外骨骼系统相当，证明了OpenExo的技术水平。

在扭矩跟踪精度方面，各配置都表现出色。髋关节装置的均方根误差为0.30牛米，仅占设定值的7.3%；踝关节配置的误差为2.00牛米，占设定值的7.1%；肘关节配置的误差为0.84牛米，占设定值的7.0%。这种高精度控制确保了外骨骼能够准确提供预期的辅助力。

续航能力测试显示，使用22.2V、1800mAh的锂聚合物电池，髋关节配置可连续运行35分钟，踝关节配置25分钟，髋踝联合配置15分钟。肘关节配置在模拟工作场景中运行30分钟后仍有79%的电池容量，预计可持续运行约72分钟。研究发现，所有配置的限制因素都是电池容量而非电机温度，这为未来通过增加电池容量来延长使用时间提供了可能。

真人佩戴实验更是展现了OpenExo的实用价值。在7.5度斜坡行走测试中，两名测试者佩戴髋关节辅助装置后，运输成本分别降低了8%和14%。在水平地面行走时，踝关节辅助使能量消耗降低了8%。在负重行走测试中，髋踝联合辅助让两名测试者的运输成本分别降低了8%和18%。

特别值得一提的是户外测试。一名测试者在公园完成1650米的户外行走，佩戴踝关节外骨骼后，完成时间缩短，步数减少，平均步幅增加了9%，平均行走速度提高了15%。这证明了OpenExo不仅能在实验室环境中发挥作用，在真实世界的复杂地形中同样有效。

在肘关节辅助举重测试中，效果也不错。两名测试者在举起19.5公斤重物时，使用外骨骼辅助后，完成次数分别增加了100%和267%，同时肱二头肌的峰值活动分别降低了35%和57%。这表明外骨骼能够显著提高使用者的耐力，在体力要求高的工作环境中具有巨大应用潜力。

▍开源共享推动外骨骼技术普及

OpenExo最大的贡献不仅在于技术创新，更在于其完全开源的理念。研究团队公开的资源包括完整的软件包、详细的电气架构设计、PCB设计文件、开源髋关节设计和鲍登线传动系统设计。

为了降低使用门槛，研究团队还提供了详尽的文档支持。这包括软件结构和功能指南，详细说明如何添加新关节、控制器、传感器和电机；C++编程语言入门指南，帮助新手快速上手；Python配套应用程序使用说明，支持实时修改控制参数和监控数据；PCB结构功能说明和修改指南；硬件制造和组装的分步指导等。

研究团队的愿景是建立一个开放的研究社区。他们希望不同学科背景的研究者都能参与进来，比如计算机科学家可以贡献人工智能算法，材料科学家可以探索新材料应用，能源专家可以改进电池系统，医学专家可以提供临床应用指导。通过集思广益，加速外骨骼技术的发展。

更重要的是，OpenExo可以成为推动大规模协作研究的平台。外骨骼研究长期以来受限于小样本量，研究结果的可重复性存疑。有了统一的开源平台，不同机构的研究者可以使用相同的基础系统，开展大规模多中心研究，提高研究结果的可信度。

研究团队也认识到OpenExo仍有改进空间。续航能力是当前的主要限制因素，特别是在高扭矩多关节应用中。他们正在探索提高电池效率的方案。Python配套应用程序也在持续优化，计划加入深度学习和人机协同优化等前沿功能。

当更多人能够参与到外骨骼研发中，当技术门槛不再是障碍，我们距离外骨骼走进日常生活的那一天就更近了一步。