想象一下，當你爬山時有一套裝置幫你減輕腿部負擔，當你搬運重物時有機械臂協助你省力，當你長時間行走后依然精力充沛……近日，北亞利桑那大學的研究團隊在《Science Robotics》期刊上發表了一項突破性成果，他們不僅開發了一套模塊化的外骨骼系統，更重要的是將整個系統完全開源，包括軟件、硬件、電子設計和控制方案，讓更多研究者能夠參與到這個充滿潛力的領域中來。

▍打破外骨骼研發的高門檻

外骨骼技術雖然在過去15年里經歷了快速發展期，但始終面臨著一個核心問題：門檻太高。

開發一套外骨骼系統需要機械工程、電氣工程、機器人控制、生物力學等多個學科的專業知識。從概念到實現，整個過程耗時長、成本高，許多有志于此的研究者望而卻步。更讓人頭疼的是，現有的外骨骼系統大多是為特定用途設計的專用設備，局限在實驗室環境中，難以適應新的研究問題和應用場景。

研究團隊深刻認識到這些障礙的存在。論文中提到，目前的外骨骼研究存在三大問題：首先是高度專業化的設備缺乏靈活性，比如專門輔助踝關節的設備很難改造用于髖關節研究；其次是各研究機構使用的軟硬件系統相互獨立，形成了技術孤島，研究成果難以復現；最后是封閉的系統導致實驗樣本量小，增加了研究結果不可重復的風險。

OpenExo的出現正是為了解決這些問題。研究團隊采用了模塊化設計理念，讓整個系統像搭積木一樣靈活組合。無論是想要輔助髖關節、踝關節還是肘關節，只需要更換相應的硬件模塊，修改SD卡上的配置文件即可，無需重新編寫代碼或重新設計電路板。

▍模塊化設計讓外骨骼"隨心所欲"

OpenExo的核心創新在于其高度模塊化的系統架構。整個系統由四個主要部分組成：軟件系統、電子架構、硬件接口和控制方案。

軟件方面，研究團隊使用C++和Arduino語言開發，采用繼承多態性原理實現了高度的模塊化。軟件架構從整體到局部逐層細化，從外骨骼整體功能開始，深入到各個關節的具體控制。最巧妙的設計是，如果一個控制器可以用于多個關節，只需定義一次即可被任何兼容的關節調用，大大減少了代碼冗余。

電子架構的設計理念是"簡單直觀"。與其他開源項目如FlexSEA采用的多塊互聯PCB設計不同，OpenExo選擇了單板設計，可同時支持最多4個關節的控制。研究團隊選用了CubeMars的AK系列電機，這些電機功率強大，能夠為研究者在各種任務中提供足夠的扭矩支持。更重要的是，整個AK系列電機都使用相同的CAN通信協議，研究者可以根據具體需求選擇不同型號的電機。

硬件設計同樣體現了模塊化思想。研究團隊開發了直驅式髖關節裝置、鮑登線傳動的踝關節裝置和肘關節裝置。所有配置都設計為與同一腰帶接口兼容，可以快速組合和更換。髖關節硬件設計簡單、易于制造、成本低廉，即使在開環控制下也能準確運行。整個系統采用腰帶式設計，將電子設備和電池集成在腰帶中，實現了完全無線化，可以在室內外各種環境中使用。

▍實驗驗證展現優越性能

研究團隊通過臺架測試和實際佩戴實驗全面驗證了OpenExo的性能。

在響應速度測試中，髖關節配置在6牛米的開環階躍響應下，上升時間僅為3毫秒，超調量僅0.30%；踝關節配置在28牛米的閉環控制下，上升時間為65毫秒，欠調量僅1.8%；肘關節配置在10牛米階躍響應下，上升時間為35.8毫秒，超調量6.4%。這些性能指標與現有文獻報道的其他外骨骼系統相當，證明了OpenExo的技術水平。

在扭矩跟蹤精度方面，各配置都表現出色。髖關節裝置的均方根誤差為0.30牛米，僅占設定值的7.3%；踝關節配置的誤差為2.00牛米，占設定值的7.1%；肘關節配置的誤差為0.84牛米，占設定值的7.0%。這種高精度控制確保了外骨骼能夠準確提供預期的輔助力。

續航能力測試顯示，使用22.2V、1800mAh的鋰聚合物電池，髖關節配置可連續運行35分鐘，踝關節配置25分鐘，髖踝聯合配置15分鐘。肘關節配置在模擬工作場景中運行30分鐘后仍有79%的電池容量，預計可持續運行約72分鐘。研究發現，所有配置的限制因素都是電池容量而非電機溫度，這為未來通過增加電池容量來延長使用時間提供了可能。

真人佩戴實驗更是展現了OpenExo的實用價值。在7.5度斜坡行走測試中，兩名測試者佩戴髖關節輔助裝置后，運輸成本分別降低了8%和14%。在水平地面行走時，踝關節輔助使能量消耗降低了8%。在負重行走測試中，髖踝聯合輔助讓兩名測試者的運輸成本分別降低了8%和18%。

特別值得一提的是戶外測試。一名測試者在公園完成1650米的戶外行走，佩戴踝關節外骨骼后，完成時間縮短，步數減少，平均步幅增加了9%，平均行走速度提高了15%。這證明了OpenExo不僅能在實驗室環境中發揮作用，在真實世界的復雜地形中同樣有效。

在肘關節輔助舉重測試中，效果也不錯。兩名測試者在舉起19.5公斤重物時，使用外骨骼輔助后，完成次數分別增加了100%和267%，同時肱二頭肌的峰值活動分別降低了35%和57%。這表明外骨骼能夠顯著提高使用者的耐力，在體力要求高的工作環境中具有巨大應用潛力。

▍開源共享推動外骨骼技術普及

OpenExo最大的貢獻不僅在于技術創新，更在于其完全開源的理念。研究團隊公開的資源包括完整的軟件包、詳細的電氣架構設計、PCB設計文件、開源髖關節設計和鮑登線傳動系統設計。

為了降低使用門檻，研究團隊還提供了詳盡的文檔支持。這包括軟件結構和功能指南，詳細說明如何添加新關節、控制器、傳感器和電機；C++編程語言入門指南，幫助新手快速上手；Python配套應用程序使用說明，支持實時修改控制參數和監控數據；PCB結構功能說明和修改指南；硬件制造和組裝的分步指導等。

研究團隊的愿景是建立一個開放的研究社區。他們希望不同學科背景的研究者都能參與進來，比如計算機科學家可以貢獻人工智能算法，材料科學家可以探索新材料應用，能源專家可以改進電池系統，醫學專家可以提供臨床應用指導。通過集思廣益，加速外骨骼技術的發展。

更重要的是，OpenExo可以成為推動大規模協作研究的平臺。外骨骼研究長期以來受限于小樣本量，研究結果的可重復性存疑。有了統一的開源平臺，不同機構的研究者可以使用相同的基礎系統，開展大規模多中心研究，提高研究結果的可信度。

研究團隊也認識到OpenExo仍有改進空間。續航能力是當前的主要限制因素，特別是在高扭矩多關節應用中。他們正在探索提高電池效率的方案。Python配套應用程序也在持續優化，計劃加入深度學習和人機協同優化等前沿功能。

當更多人能夠參與到外骨骼研發中，當技術門檻不再是障礙，我們距離外骨骼走進日常生活的那一天就更近了一步。