機(jī)器人技術(shù) 服務(wù)機(jī)器人的性能標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)試驗(yàn)方法 第6部分下肢可穿戴機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告

機(jī)器人技術(shù)服務(wù)機(jī)器人的性能標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)試驗(yàn)方法第6部分:下肢可穿戴機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)發(fā)展報(bào)告StandardizationDevelopmentReport:Robotics—Performancecriteriaandrelatedtestmethodsforservicerobots—Part6:Lower-limbwearablerobots摘要關(guān)鍵詞：下肢可穿戴機(jī)器人；服務(wù)機(jī)器人；性能標(biāo)準(zhǔn)；試驗(yàn)方法；ISO18646；人機(jī)交互；康復(fù)機(jī)器人；標(biāo)準(zhǔn)化Keywords:Lower-limbwearablerobots;Servicerobots;Performancecriteria;Testmethod;ISO18646;Human-robotinteraction;Rehabilitationrobotics;Standardization1.引言隨著人工智能、傳感技術(shù)、仿生學(xué)及輕量化材料等前沿科技的深度融合，機(jī)器人技術(shù)已從傳統(tǒng)的工業(yè)制造領(lǐng)域全面拓展至醫(yī)療健康、家庭服務(wù)、公共安全等社會生活的各個(gè)層面。其中，服務(wù)機(jī)器人作為直接服務(wù)于人類福祉的重要分支，近年來發(fā)展尤為迅速。特別是下肢可穿戴機(jī)器人，作為一種能夠?yàn)榇┐髡咛峁┬凶咧?、平衡支撐或康?fù)訓(xùn)練的智能裝備，在解決老齡化社會帶來的護(hù)理人力短缺、輔助脊髓損傷及中風(fēng)等患者恢復(fù)運(yùn)動功能、以及在工業(yè)場景中減輕工人勞動負(fù)荷等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力和市場價(jià)值。2.標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)背景與必要性2.1老齡化社會與康復(fù)需求的雙重驅(qū)動全球正經(jīng)歷前所未有的老齡化進(jìn)程。根據(jù)世界衛(wèi)生組織數(shù)據(jù)顯示，全球60歲及以上人口預(yù)計(jì)將在2050年達(dá)到21億。伴隨年齡增長，肌力衰退、平衡功能下降以及各類神經(jīng)系統(tǒng)疾?。ㄈ缒X卒中）和骨關(guān)節(jié)疾?。ㄈ缦リP(guān)節(jié)炎）的發(fā)病率顯著升高，這直接導(dǎo)致了大量老年人及殘疾人士的下肢功能障礙。傳統(tǒng)康復(fù)手段依賴治療師一對一指導(dǎo)，勞動強(qiáng)度大、成本高且難以量化訓(xùn)練效果。在這樣的社會需求驅(qū)動下，下肢可穿戴機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，它能夠在無人干預(yù)或少人干預(yù)的情況下，提供高強(qiáng)度、高重復(fù)性、個(gè)性化的步態(tài)訓(xùn)練，顯著提升康復(fù)效率和效果。2.2行業(yè)痛點(diǎn)：性能評價(jià)體系的缺失盡管下肢可穿戴機(jī)器人相關(guān)研究論文和產(chǎn)品公告層出不窮，但行業(yè)內(nèi)部始終缺乏公認(rèn)的性能基準(zhǔn)。其痛點(diǎn)主要表現(xiàn)為：-評價(jià)指標(biāo)不統(tǒng)一：部分企業(yè)強(qiáng)調(diào)“最大助力扭矩”，但忽略了人機(jī)交互的舒適性與安全性；有的產(chǎn)品宣稱“自適應(yīng)步態(tài)”，卻缺乏對步態(tài)周期匹配度的量化測試。不同企業(yè)定義的“走路平穩(wěn)性”、“能耗效率”等概念差異巨大。-測試場景缺乏規(guī)范：機(jī)器人性能往往在特定實(shí)驗(yàn)室條件下表現(xiàn)良好，但實(shí)際應(yīng)用場景復(fù)雜多變（如平地行走、上下樓梯、斜坡跨越、轉(zhuǎn)彎等）。現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)缺乏對典型任務(wù)場景和測試路線的標(biāo)準(zhǔn)化描述，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果與實(shí)際使用性能脫節(jié)。-安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)知不足：下肢可穿戴機(jī)器人直接與人體剛性連接或軟性固定，其機(jī)械臂端的意外運(yùn)動、關(guān)節(jié)過沖、電機(jī)失控等故障對穿戴者可能造成嚴(yán)重傷害。而如何評估和驗(yàn)證其動態(tài)安全性能，缺乏詳細(xì)、可操作的國際準(zhǔn)則。2.3ISO18646系列標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)ISO18646系列標(biāo)準(zhǔn)為服務(wù)機(jī)器人性能評價(jià)提供了系統(tǒng)框架。此前已發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)主要針對輪式移動機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人（如手術(shù)機(jī)器人）等。ISO18646-6的立項(xiàng)，標(biāo)志著該系列標(biāo)準(zhǔn)正式進(jìn)入具有強(qiáng)人機(jī)耦合特性的可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域。這一標(biāo)準(zhǔn)的推出，填補(bǔ)了國際標(biāo)準(zhǔn)在人體外骨骼類服務(wù)機(jī)器人性能評價(jià)方面的空白，使服務(wù)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)體系更加完整和立體。3.核心技術(shù)內(nèi)容與試驗(yàn)方法詳解ISO18646-6:2026并非一個(gè)概念性的指南，而是一套包含具體性能指標(biāo)、測試環(huán)境、測試設(shè)備要求和數(shù)據(jù)處理方法的操作性標(biāo)準(zhǔn)。其核心內(nèi)容主要圍繞以下六大關(guān)鍵維度展開：3.1負(fù)載能力與助力效能分析-靜態(tài)負(fù)載：定義了下肢可穿戴機(jī)器人在非運(yùn)動狀態(tài)下能夠支撐的最大人體重量（或額外負(fù)重）的能力測試方法。-動態(tài)助力比：這是衡量“助力”效果的關(guān)鍵指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在不同地形（如平地、5°斜坡、15°斜坡）和不同行走速度（如0.5m/s,1.0m/s,1.5m/s）下，需檢測機(jī)器人提供的正向/負(fù)向機(jī)械功率與穿戴者自身肌肉代謝減少量之間的關(guān)系，最終以“助力效率”百分比形式呈現(xiàn)。-疲勞測試：要求機(jī)器人在模擬“人體連續(xù)行走8小時(shí)”的工況下進(jìn)行耐久性測試，評估其電機(jī)、減速器、電池以及柔性關(guān)節(jié)的熱穩(wěn)定性和壽命。3.2動態(tài)平衡與穩(wěn)定性評估穩(wěn)定性是下肢可穿戴機(jī)器人的生命線。標(biāo)準(zhǔn)引入了基于“零力矩點(diǎn)（ZMP）”和“捕獲點(diǎn)（CapturePoint）”的穩(wěn)定性裕度評價(jià)方法。-靜態(tài)穩(wěn)定裕度：在靜止站立狀態(tài)下，計(jì)算壓力中心（CoP）相對于足部支撐多邊形邊界的距離。-動態(tài)穩(wěn)定裕度：在行走、轉(zhuǎn)向、單腿支撐等動態(tài)過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測CoP的軌跡偏移量。標(biāo)準(zhǔn)要求當(dāng)穿戴者在光滑地面或受到外部輕微擾動（如側(cè)向推力）時(shí)，機(jī)器人能夠通過調(diào)整關(guān)節(jié)力矩將CoP穩(wěn)定控制在安全區(qū)域內(nèi)，并定義了“可穩(wěn)定恢復(fù)的極限擾動強(qiáng)度”。3.3步態(tài)周期匹配度與人機(jī)協(xié)調(diào)性人機(jī)耦合是穿戴機(jī)器人的核心難點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)要求對穿戴者自然的步態(tài)與機(jī)器人關(guān)節(jié)的軌跡進(jìn)行同步性分析。-相位差檢測：利用安裝在髖、膝、踝關(guān)節(jié)處的角度傳感器，實(shí)時(shí)采集人體意圖（通過肌電信號或交互力傳感器）與機(jī)器人執(zhí)行角度之間的相位滯后。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在正常行走模式下的相位延遲不應(yīng)超過50毫秒。-交互力舒適性：在下肢與機(jī)器人綁縛部位（如大腿、小腿、腳部）安裝多維力傳感器，測量界面壓力分布。標(biāo)準(zhǔn)定義了“峰值壓力閾值”和“平均壓力不均勻度”，確保長時(shí)間穿戴不會引起局部壓瘡或軟組織損傷。3.4運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)性能-關(guān)節(jié)運(yùn)動范圍（ROM）：測定髖關(guān)節(jié)（屈/伸、外展/內(nèi)收）、膝關(guān)節(jié)（屈/伸）、踝關(guān)節(jié)（背屈/跖屈）的最大和動態(tài)有效活動角度，確保滿足81%以上成年人人群的運(yùn)動需求。-力矩帶寬：機(jī)器人關(guān)節(jié)在高速運(yùn)動時(shí)仍保持精確力矩輸出的能力。標(biāo)準(zhǔn)要求在100Hz的指令頻率下，實(shí)際輸出力矩與目標(biāo)力矩的偏差在±5%以內(nèi)。-反向驅(qū)動性：在斷電或緊急制動時(shí)，機(jī)器人關(guān)節(jié)能否被人體輕松移動（低阻抗），這是安全標(biāo)準(zhǔn)的重要一環(huán)。3.5能效與續(xù)航測試-功耗測試：在典型任務(wù)（如平地行走、上下樓）模式下，測量總電流、電壓并計(jì)算功率消耗。-續(xù)航里程與時(shí)間：在充滿電后，模擬標(biāo)準(zhǔn)體重（如75kg）人體連續(xù)行走，記錄直至系統(tǒng)自動斷電或性能嚴(yán)重下降的總時(shí)長與總行走距離，并要求在測試報(bào)告中明確環(huán)境溫度與濕度。3.6安全性與風(fēng)險(xiǎn)評估安全是標(biāo)準(zhǔn)的底線。除了一般電氣安全（IEC60601-1）外，還包含了穿戴機(jī)器人特有的安全試驗(yàn)。-墜落保護(hù)：模擬穿戴者意外失足時(shí)，機(jī)器人系統(tǒng)能否在150毫秒內(nèi)觸發(fā)鎖定/緩沖機(jī)制，防止人體二次傷害。-急停性能：測試在任何狀態(tài)下按下急停按鈕后，所有關(guān)節(jié)停止運(yùn)動的時(shí)間（要求小于200毫秒）以及自由運(yùn)動的慣性沖擊角度。-誤動作檢測：當(dāng)傳感器檢測到穿戴者施加的力出現(xiàn)異常（如痙攣、劇烈抖動）時(shí)，機(jī)器人應(yīng)立即切換至“安全模式”或“零力模式”，并進(jìn)行記錄。4.主要參與單位與標(biāo)委會介紹本標(biāo)準(zhǔn)由國際標(biāo)準(zhǔn)化組織/機(jī)器人技術(shù)委員會（ISO/TC299）負(fù)責(zé)制定。ISO/TC299是全球機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)域的最高技術(shù)權(quán)威機(jī)構(gòu)，其工作范圍涵蓋除玩具和軍用機(jī)器人以外的所有機(jī)器人類型，包括工業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人等。在本次標(biāo)準(zhǔn)的制定過程中，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院（CESI）作為我國機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化的核心技術(shù)支撐機(jī)構(gòu)，發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，是該標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵參與者與意見提出方。中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院成立于1963年，是工業(yè)和信息化部直屬的電子信息技術(shù)領(lǐng)域?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)化科研機(jī)構(gòu)。作為ISO/TC299的中國國內(nèi)技術(shù)對口單位之一，CESI長期以來深度參與國際標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，致力于將中國在可穿戴機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)積累和產(chǎn)業(yè)實(shí)踐推向國際舞臺。具體貢獻(xiàn)體現(xiàn)在以下幾方面：1.技術(shù)提案與驗(yàn)證：CESI依托其下屬的機(jī)器人測評實(shí)驗(yàn)室，在國內(nèi)率先搭建了針對下肢外骨骼的集成化測試平臺。該平臺集成了三維動作捕捉系統(tǒng)、足底壓力分布板、多關(guān)節(jié)力矩傳感器、高精度步態(tài)分析儀等設(shè)備，能夠?qū)?biāo)ISO18646-6中規(guī)定的絕大部分試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。CESI提出的關(guān)于“動態(tài)助力比”的不同步態(tài)階段的劃分方法被標(biāo)準(zhǔn)采納，完善了標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于評價(jià)指標(biāo)的細(xì)則。2.國際協(xié)調(diào)與互認(rèn)：CESI積極組織國內(nèi)具有代表性的企業(yè)（如大艾機(jī)器人、程天科技、傅利葉智能等）與國際同行進(jìn)行技術(shù)比對，解決了在不同國家測試環(huán)境下，由于環(huán)境溫濕度、地面摩擦系數(shù)差異導(dǎo)致的測量結(jié)果不一致問題。CESI提出的“基準(zhǔn)測試人體模型”與“標(biāo)準(zhǔn)仿真路面”方案，有效降低了標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的系統(tǒng)性偏差。3.安全標(biāo)準(zhǔn)引領(lǐng)：鑒于可穿戴機(jī)器人與人體直接交互的特殊性，CESI在標(biāo)準(zhǔn)的“安全要求”與“風(fēng)險(xiǎn)評估”章節(jié)中提出了大量建設(shè)性意見。其基于大量臨床試驗(yàn)數(shù)據(jù)提出的“關(guān)節(jié)過沖防護(hù)等級”以及“人機(jī)約束界面的生物兼容性測試”建議，被寫入標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范性附錄中，顯著提升了標(biāo)準(zhǔn)的安全門檻。通過ISO/TC299與CESI等機(jī)構(gòu)的不懈努力，ISO18646-6:2026在國際上獲得了極高的認(rèn)可度，成為該領(lǐng)域當(dāng)之無愧的權(quán)威參考。5.結(jié)論與展望ISO18646-6:2026《機(jī)器人技術(shù)服務(wù)機(jī)器人的性能標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)試驗(yàn)方法第6部分:下肢可穿戴機(jī)器人》的正式發(fā)布，是服務(wù)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程中的一座重要里程碑。它從無到有地構(gòu)建了一套涵蓋機(jī)械性能、人機(jī)交互、動態(tài)穩(wěn)定、環(huán)境衛(wèi)生及安全風(fēng)險(xiǎn)的全方位評價(jià)體系，徹底改變了以往行業(yè)“會叫的機(jī)器就是好產(chǎn)品”的模糊格局。從技術(shù)發(fā)展角度看，該標(biāo)準(zhǔn)為全球研發(fā)者提供了明確的“及格線”和“優(yōu)等線”。企業(yè)可以對標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中的具體指標(biāo)（如動態(tài)互動力低于多少牛頓、步態(tài)同步延遲小于多少毫秒）精準(zhǔn)優(yōu)化自己的算法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免閉門造車式的低水平重復(fù)。從市場監(jiān)管角度看，各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)終于有了一份可操作、可復(fù)現(xiàn)的“出廠檢驗(yàn)”基準(zhǔn)。未來，任何聲稱具備某種性能的下肢外骨骼產(chǎn)品，都必須通過該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢測流程才能獲得市場準(zhǔn)入許可，這對于消除劣質(zhì)產(chǎn)品“劣幣驅(qū)逐良幣”的現(xiàn)象具有決定性意義。展望未來，隨著ISO18646-6:2026的深入推廣，預(yù)計(jì)將催生以下幾方面的發(fā)展趨勢：1.測試設(shè)備與服務(wù)的產(chǎn)業(yè)化：專門用于檢測“人機(jī)交互力/力矩”、“動態(tài)穩(wěn)定邊界”的高精度測試臺架和軟件系統(tǒng)將成為一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)方向。第三方檢測機(jī)構(gòu)將廣泛開展該標(biāo)準(zhǔn)的測試服務(wù)。2.標(biāo)準(zhǔn)體系的深度融合：ISO18646-6可能與ISO13482（個(gè)人護(hù)理機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)）、ISO10218（工業(yè)機(jī)器人安全標(biāo)準(zhǔn)）中的相關(guān)章節(jié)進(jìn)行進(jìn)一步協(xié)調(diào)整合，形成更為通用、統(tǒng)一的“人-機(jī)器人-環(huán)境”安全標(biāo)準(zhǔn)體系。3.數(shù)據(jù)驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的迭代：隨著實(shí)際應(yīng)用場景中大量測試數(shù)據(jù)的積累，標(biāo)準(zhǔn)中的某些靜態(tài)閾值（如50毫秒的相位延遲）可能會被動態(tài)、自適應(yīng)、針對不同病癥（如偏癱患者與截癱患者）的分級標(biāo)準(zhǔn)所替代。4.推動價(jià)格下