体力劳动者，如建筑工人、搬运工等，经常需要重复进行举起、放下和搬运重物的工作。这些工作不仅消耗大量体力，还极易导致肌肉疲劳和骨骼损伤。尤其是股四头肌，作为大腿前侧的主要肌肉群，在重复下蹲和举重过程中承受巨大压力，容易导致疲劳和损伤。股四头肌疲劳不仅影响工作效率，还可能改变举重姿势，增加下背部受伤的风险。

尽管市场上已存在多种外骨骼机器人和矫形器，但这些设备普遍功能单一，对于不同场景的定制化也不尽如人意。例如，被动式膝关节矫形器虽然能提供一定的支撑，但无法适应各种复杂地形和任务变化。机器人外骨骼虽然能根据任务调整辅助力度，但大多缺乏针对股四头肌的专项优化，且控制器设计复杂，难以普及应用。

针对这一问题，美国密歇根大学研究团队开发了一种自适应膝关节外骨骼控制器，可根据执行的任务为用户提供帮助。同时外骨骼控制器能够进行特定应用的调整，无需用户校准，目前该研究成果已发表在《Science Robotics》期刊上。

▍多功能膝关节外骨骼的技术亮点

密歇根大学研究人员介绍，自适应膝关节外骨骼控制器，该控制器通过启发式地修改和调整多个扭矩基函数，实现了对多种劳动任务的精确适应。这些基函数包括重力补偿、虚拟弹簧和阻尼器等，可以针对上坡、下坡、平地行走、上楼梯、下楼梯以及下蹲举重等多种地形和动作需求提供个性化的辅助扭矩。该设计不仅提高了外骨骼的灵活性和适应性，还确保了在不同任务中的稳定性和安全性。

实验方案摘要和M-BLUE双膝外骨骼

与传统的复杂控制器不同，该外骨骼的控制器参数直观且易于定制。通过数据驱动的优化方法，研究团队筛选出了一系列关键参数，这些参数既可以通过仿生辅助预测来优化整体性能，又可以根据具体应用需求进行手动调整，以达到最佳的辅助效果。这种设计不仅简化了控制器的调试过程，还提高了系统的可维护性和可扩展性。

控制图

值得一提的是，外骨骼采用的高度可反向驱动执行器是其另一个显著的技术亮点。这些执行器具备低反射摩擦和惯性，能够实现高带宽扭矩控制，确保了在各种动态任务中的精准辅助。此外，执行器还配备了扭矩限制器和热模型，以应对短时高扭矩需求，同时保护设备免受损坏。这些特性使得外骨骼在提供稳定辅助的同时，也具备了良好的耐用性和可靠性。

为了实时监测用户的运动状态和提供精准的辅助扭矩，多功能膝关节外骨骼集成了多种传感器，包括地面反作用力传感器、角度传感器以及扭矩传感器等。这些传感器能够实时采集用户的步态参数、地形特征以及肌肉活动情况，为控制器提供全面的反馈信息。基于这些信息，控制器能够迅速调整辅助扭矩的大小和方向，确保用户在不同任务中始终获得最佳的辅助效果。

在实际工作场景中，劳动者经常需要在不同的任务之间频繁切换。为此该外骨骼设计了无缝的任务转换机制。通过实时监测地形变化和步态参数，控制器能够迅速调整辅助策略，确保在不同任务之间的平滑过渡。该设计不仅能够提高工作效率，还降低了操作复杂度，使得用户能够更加专注于工作任务本身。

为了提升用户体验，研究团队在外骨骼的设计与实施过程中充分考虑了用户的实际需求。外骨骼采用了轻量化材料和模块化设计，使得穿戴更加舒适便捷。同时，设备还配备了直观的操作界面和“即插即用”的电源系统，降低了用户的学习成本和操作难度。

▍实验验证与结果分析

为了全面验证多功能膝关节外骨骼的实际效果，研究团队选取了10名身体健康的志愿者参与实验。实验分为两个阶段进行，即非疲劳阶段和疲劳阶段。在非疲劳阶段，参与者需要完成包括平地行走、上坡、下坡、上楼梯、下楼梯以及下蹲举重在内的六项常见体力劳动任务。这些任务覆盖了劳动者在日常工作中可能遇到的各种地形和动作要求。在每次任务中，志愿者被要求穿戴外骨骼装置，并同时接受未穿戴外骨骼的对照测试，以便直接比较外骨骼的效果。

实验过程中，研究团队采用了多种先进的测量工具来收集数据，包括表面肌电图（EMG）来监测股四头肌的力量输出，运动捕捉系统来追踪参与者的身体姿势和运动轨迹，以及外骨骼内置的传感器来记录提供的辅助扭矩和功率。这些数据为后续的定量分析提供了坚实的基础。

实验结果显示，多功能膝关节外骨骼在多项关键指标上均表现出明显优势。在非疲劳状态下，穿戴外骨骼的参与者在完成所有六项任务时，平均股四头肌力量减少了14.5%。结果显示，外骨骼在多种体力劳动任务中均能有效减轻股四头肌的负担，尤其是下蹲举重、上坡和下楼梯等股四头肌负荷较大的任务，力量减少更为显著。

外骨骼辅助对LLC过程中股四头肌激活的影响

在疲劳阶段，实验进一步验证了外骨骼的实际应用价值。通过连续下蹲举重直至疲劳的实验设计，研究团队模拟了劳动者在实际工作中可能遇到的极端疲劳状态。结果显示，在外骨骼的辅助下，参与者在疲劳后下蹲举重的完成时间显著减少（平均减少43%），同时胸部倾斜角度也明显降低（平均减少4.4°）。这些数据直观地展示了外骨骼在缓解疲劳、提高工作效率以及改善姿势控制方面的卓越性能。

缓解疲劳引起的性能缺陷和胸部倾斜偏差

此外，实验还验证了外骨骼在任务转换过程中的快速适应性。在连续穿越多地形电路的过程中，外骨骼能够根据地形和任务的变化实时调整辅助扭矩，确保为穿戴者提供持续稳定的支持。这种无缝的任务转换能力不仅提高了工作效率，还降低了操作复杂度，使得外骨骼在实际应用中更加便捷可靠。

▍多功能膝关节外骨骼未来或率先应用于建筑、制造、运输等劳动密集型产业

多功能膝关节外骨骼的应用前景极为广阔，特别是在建筑、制造、运输等劳动密集型行业中具有巨大的应用潜力。随着人口老龄化加剧和劳动力成本上升，企业对于提高生产效率、保障工人健康的需求日益迫切。外骨骼技术能够有效减轻工人的体力负担，降低因长期重复劳动导致的肌肉骨骼损伤风险，从而提高工作质量和员工满意度。此外，该技术在军事、救援等领域也具备广泛的应用前景，为士兵和救援人员在复杂环境中的作业提供有力支持。

值得一提的是，随着未来多功能膝关节外骨骼推广落地，不仅能够提升劳动生产率，还能够减少因工伤事故导致的医疗成本和社会负担。随着技术的不断进步和成本的逐步降低，外骨骼技术有望在未来成为劳动密集型行业的标配装备。

▍结语与未来：

密歇根大学研究团队研发的多功能膝关节外骨骼作为一种创新的智能穿戴设备，在减轻体力劳动疲劳和提高工作效率方面拥有巨大的商业潜力。通过自适应控制器设计、多任务适应性和高效能执行器的综合应用，外骨骼成功解决了传统外骨骼设备在多功能性和可定制性方面的不足。未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，多功能膝关节外骨骼有望在更广泛的领域得到应用和推广，保障一线劳动者身体健康同时提升工作效率。