密歇根大学用商用护膝和无人机发动机制造的一套膝盖外骨骼已被证明有助于抵消举重和搬运任务时的疲劳。一篇新论文的研究人员表示，它们帮助用户即使在疲劳时也能保持更好的举重姿势，这是预防工作伤害的关键因素发表在日记中科学机器人。

“我们不是直接支撑背部并放弃适当的举升形式，而是加强腿部来维持它，”密歇根大学机器人学教授、该研究的通讯作者罗伯特·格雷格说。“这与工业界更常见的做法不同。”

经常举重的工人（例如建筑和制造行业的工人）已经可以使用背部支架。背部外骨骼使用弹簧或电机来帮助举重，是一项新兴技术。但支撑背部的设备假设不安全的举起或弯腰，并且背部外骨骼往往是笨重的设备，必须停用这些设备才能允许不属于举重任务的运动，格雷格说。

密歇根团队表示，他们的膝盖外骨骼是第一个支撑股四头肌的外骨骼，股四头肌为安全的深蹲举重提供了大部分力量，作为一种侵入性较小的方式来帮助保护工人免受背部伤害。研究参与者使用 20 磅重的壶铃对他们进行举重和搬运任务的测试。

任务包括将重物从地面提起并再次放下，以及在平坦的地面上举起和搬运重物、上下斜坡以及上下楼梯。研究发现，在疲劳后，参与者在外骨骼，而且他们的举升速度也更快，仅比疲劳前的速度慢了 1%，而没有外骨骼帮助时则慢了 44%。

“当工人必须跟上传送带时，这一点尤其重要。通常，当工人疲劳时，他们会跟上传送带的速度，但姿势会有所妥协。他们会更多地弯曲背部，这就是密歇根大学机器人学博士后研究员、该研究的第一作者 Nikhil Divekar 说。

参与者也感受到了好处——他们主要表示相当或非常满意，除了在平地上行走，他们或多或少感到满意。在这个相对简单的任务中，股四头肌需要少量的帮助来进行跟踪；格雷格将其描述为足以抵消外骨骼重量的支撑。

使外骨骼如此耐磨的关键之一是电机及其传动方式，这使得用户能够自由摆动膝盖以实现自然的步态。另一个是软件，它通过测量膝关节的角度、大腿和小腿的方向以及用户鞋子中的传感器接收到的力来预测用户需要什么样的帮助。

通过双腿的这三个测量值，可以计算出用户试图做出什么动作，以及提供多少帮助。这些测量每秒进行 150 次，使外骨骼能够在活动之间无缝移动。

这种方法与许多外骨骼控制器形成鲜明对比，后者遵循预定义的模式来完成一组有限的任务。格雷格说，切换任务对于这些控制器来说可能是一个问题，他们可能需要整整一秒钟才能弄清楚用户想要做什么。

“如果你的 exo 试图走上楼，而你试图走下楼，那可能是个问题，对吧？”他说。

新控制器还将物理模型与机器学习，如果用户的行为开始与控制器训练数据中包含的任何活动不同，这可以防止外骨骼做出意外的移动。

实验室原型的成本约为每对 4,000 美元，因此 Gregg 预计，如果大规模生产外骨骼，每对的成本可能约为 2,000 美元。

10 名研究参与者，五名女性和五名男性，在不同的两天完成了所有任务，一天精力充沛，另一天疲惫不堪。为了引起疲劳，每个参与者都用壶铃进行一系列的深蹲举举，直到重复之间没有长时间的休息才能继续。所有参与者都有正确的深蹲举重技术的经验。

该团队已申请专利保护在密歇根大学创新合作伙伴关系的协助下，正在寻找合作伙伴将该技术推向市场。