仿生五自由度折纸脊柱外骨骼：三维运动数据验证运动透明性

案例摘要

合肥工业大学、西安电子科技大学、英国提赛德大学和香港理工大学研究团队提出仿生五自由度折纸机构，并据此开发主动式折纸脊柱辅助外骨骼OSAE，用于在对称和非对称举升中适应人体脊柱运动并提供辅助。研究团队使用NOKOV度量动作捕捉系统采集受试者上半身三维运动数据，比较穿戴与未穿戴OSAE时前屈、侧屈和轴向旋转的躯干活动范围，验证OSAE系统的运动透明性。

案例概览

为什么脊柱辅助外骨骼需要兼顾助力与运动自由度

人工物料搬运任务广泛存在于航空航天制造、物流、建筑、农业等场景。搬运者需要反复弯腰、扭转和举升，腰椎会承受较大的压缩力与剪切力。背部支撑外骨骼能够提供辅助力或力矩，但如果机构自由度不足，也可能限制穿戴者的前屈、侧屈和轴向旋转，影响动作自然性与穿戴舒适度。

该研究因此同时关注两个问题：一是外骨骼能否在不同举升方式和物体重量下提供辅助；二是穿戴外骨骼后，人体脊柱和躯干是否仍能保持接近自然状态的活动范围。

从五自由度折纸机构到OSAE外骨骼

刚柔耦合仿生折纸脊柱模块

研究团队从折纸结构中获得灵感，提出具有y轴平移、z轴平移、x轴旋转、y轴旋转和z轴旋转五个自由度的折纸结构，并通过机械设计形成刚柔耦合仿生折纸机构，用于模拟人体椎体和椎间盘的运动与机械功能。7个折纸机构串联构成仿生脊柱模块，可随人体脊柱曲率变化进行形变。

图1 所设计折纸及刚柔耦合仿生折纸机构的五个自由度

绳驱动、有限状态机与自适应助力

OSAE主要由脊柱模块和绳驱动模块构成。绳驱动模块通过牵拉脊柱模块模拟竖脊肌作用；有限状态机用于识别外骨骼的工作状态；自适应控制策略根据举升方式和物体重量调节辅助。论文制作的OSAE原型约重3.11 kg，另有电机单元和电池。

图2 OSAE外骨骼原型

NOKOV在本研究中的作用

运动任务测试中，研究团队使用NOKOV度量动作捕捉系统采集受试者上半身三维运动数据。未穿戴外骨骼时，反光标记附着于受试者上半身；穿戴OSAE时，标记附着于人体外骨骼系统。两种条件下采集的数据被用于计算和比较躯干前屈、侧屈和轴向旋转的活动范围，从而判断OSAE是否限制自然运动。NOKOV度量动作捕捉系统为研究提供了高精度的三维运动数据，是验证外骨骼的运动透明性和脊柱适应能力的金标准。

图3 OSAE实验设置

运动任务测试：三维运动数据评估躯干ROM

研究团队招募16名无背部或肌肉骨骼疾病史的健康受试者，设置两种实验条件：不穿戴OSAE，以及穿戴但处于不助力状态的OSAE。受试者分别完成矢状面前屈、冠状面侧屈和水平面轴向旋转。每名受试者在每种条件下进行15次试验，每次持续2分钟，相邻试验间休息5分钟；每次试验最后1分钟的运动数据用于评估。

图4 OSAE运动任务测试：前屈、侧屈与轴向旋转

论文报告，未穿戴与穿戴OSAE时，前屈ROM分别为（0°，-80.61°）和（0°，-79.10°）；侧屈ROM分别为（-41.77°，41.14°）和（-39.05°，39.51°）；轴向旋转ROM分别为（-64.56°，61.34°）和（-61.43°，59.55°）。

与未穿戴条件相比，穿戴OSAE后的前屈、侧屈和轴向旋转ROM分别降低3.06%（P=0.312）、5.25%（P=0.513）和3.91%（P=0.833）。三类运动在两种条件下均无统计学显著差异。论文据此认为，OSAE具有较好的灵活性，能够适应人体脊柱运动；论文结论进一步将该实验用于验证外骨骼的运动透明性。

图5 两种条件下受试者躯干活动范围：（a）前屈；（b）侧屈；（c）轴向旋转

负载举升测试：EMG评估肌肉辅助效果

负载举升测试比较未穿戴OSAE与穿戴并开启助力的OSAE两种条件，包括10 kg对称举升、10 kg非对称举升，以及5 kg和15 kg对称举升。每名受试者针对每类任务完成6次试验，每次包含10个举升循环。论文在该测试中明确报告的评估数据来自六通道无线EMG系统，采样频率为1000 Hz，用于分析左右腰椎竖脊肌（LES）、胸椎竖脊肌（TES）和腹外斜肌（EO）的活动。实验中，通过NOKOV度量动作捕捉系统采集受试者上身躯干的三维运动数据。

图6 OSAE负载举升测试：对称举升与左侧60°非对称举升

10 kg对称举升时，左右LES活动分别降低41.54%和41.02%，左右TES活动分别降低41.10%和40.10%，差异均具有统计学显著性；EO活动的下降不显著。10 kg非对称举升时，左右LES分别降低30.15%和39.54%，左右TES分别降低20.97%和35.79%，右侧EO降低14.44%（P=0.008）。

在5 kg、10 kg和15 kg对称举升中，平均LES活动分别降低44.17%、41.28%和38.98%，平均TES活动分别降低42.77%、40.60%和38.00%，均具有统计学显著性。上述肌肉活动结果用于验证OSAE的举升辅助效果，数据来源是EMG系统。

图7 两种条件下LES、TES和EO活动统计：（a）10 kg对称举升；（b）10 kg非对称举升；（c）5 kg对称举升；（d）15 kg对称举升（图片来源：原论文 Fig. 20，中文图注据原论文译写）

研究结论、应用潜力与局限

该研究完成了OSAE原型设计，并通过运动任务测试与负载举升测试分别评估运动透明性和助力效果。现有结果支持OSAE在不显著限制躯干前屈、侧屈和轴向旋转的同时，降低多种举升任务中的LES和TES肌肉活动。

论文认为，OSAE有望用于需要对称和非对称人工物料搬运的工作场景；所提出的五自由度折纸结构还可用于高负载机器人、连续体机器人和并联机器人。需要注意的是，研究基于短期健康受试者实验，尚未验证半年或一年等长期穿戴效果，也未证明其已在实际工业环境中降低背部损伤发生率。

论文信息

论文原文：查看论文原文（DOI）

常见问题

NOKOV度量动作捕捉系统在这项研究中测量了什么？

测量对象是受试者上半身；在穿戴OSAE的条件下，反光标记部署于人-外骨骼系统。系统采集上半身三维运动数据。

这些三维运动数据如何用于验证OSAE？

研究团队用数据计算前屈、侧屈和轴向旋转的躯干活动范围，并比较穿戴与未穿戴OSAE两种条件，从而判断外骨骼是否限制自然运动。

NOKOV度量动作捕捉系统是否参与OSAE闭环控制？

论文没有这样表述。OSAE控制使用其自身的传感与控制系统；动作捕捉数据在论文中用于运动任务测试的实验评估。

论文中的肌肉活动下降结果由什么设备测得？

相关结果来自六通道无线EMG系统。NOKOV度量动作捕捉系统用于三维运动与躯干ROM评估，不应被写成EMG结果的测量来源。

研究是否证明OSAE能够长期减少背部损伤？

尚未证明。论文完成了短期健康受试者实验，并将减少背部损伤表述为应用潜力；长期穿戴效果仍需后续研究。