机器人技术 服务机器人的性能标准和相关试验方法 第6部分下肢可穿戴机器人标准立项发展报告

机器人技术服务机器人的性能标准和相关试验方法第6部分:下肢可穿戴机器人标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Robotics—Performancecriteriaandrelatedtestmethodsforservicerobots—Part6:Lower-limbwearablerobots摘要关键词：下肢可穿戴机器人；服务机器人；性能标准；试验方法；ISO18646；人机交互；康复机器人；标准化Keywords:Lower-limbwearablerobots;Servicerobots;Performancecriteria;Testmethod;ISO18646;Human-robotinteraction;Rehabilitationrobotics;Standardization1.引言随着人工智能、传感技术、仿生学及轻量化材料等前沿科技的深度融合，机器人技术已从传统的工业制造领域全面拓展至医疗健康、家庭服务、公共安全等社会生活的各个层面。其中，服务机器人作为直接服务于人类福祉的重要分支，近年来发展尤为迅速。特别是下肢可穿戴机器人，作为一种能够为穿戴者提供行走助力、平衡支撑或康复训练的智能装备，在解决老龄化社会带来的护理人力短缺、辅助脊髓损伤及中风等患者恢复运动功能、以及在工业场景中减轻工人劳动负荷等方面展现出巨大的应用潜力和市场价值。2.标准立项背景与必要性2.1老龄化社会与康复需求的双重驱动全球正经历前所未有的老龄化进程。根据世界卫生组织数据显示，全球60岁及以上人口预计将在2050年达到21亿。伴随年龄增长，肌力衰退、平衡功能下降以及各类神经系统疾病（如脑卒中）和骨关节疾病（如膝关节炎）的发病率显著升高，这直接导致了大量老年人及残疾人士的下肢功能障碍。传统康复手段依赖治疗师一对一指导，劳动强度大、成本高且难以量化训练效果。在这样的社会需求驱动下，下肢可穿戴机器人应运而生，它能够在无人干预或少人干预的情况下，提供高强度、高重复性、个性化的步态训练，显著提升康复效率和效果。2.2行业痛点：性能评价体系的缺失尽管下肢可穿戴机器人相关研究论文和产品公告层出不穷，但行业内部始终缺乏公认的性能基准。其痛点主要表现为：-评价指标不统一：部分企业强调“最大助力扭矩”，但忽略了人机交互的舒适性与安全性；有的产品宣称“自适应步态”，却缺乏对步态周期匹配度的量化测试。不同企业定义的“走路平稳性”、“能耗效率”等概念差异巨大。-测试场景缺乏规范：机器人性能往往在特定实验室条件下表现良好，但实际应用场景复杂多变（如平地行走、上下楼梯、斜坡跨越、转弯等）。现行标准缺乏对典型任务场景和测试路线的标准化描述，导致实验室测试结果与实际使用性能脱节。-安全风险认知不足：下肢可穿戴机器人直接与人体刚性连接或软性固定，其机械臂端的意外运动、关节过冲、电机失控等故障对穿戴者可能造成严重伤害。而如何评估和验证其动态安全性能，缺乏详细、可操作的国际准则。2.3ISO18646系列标准的演进ISO18646系列标准为服务机器人性能评价提供了系统框架。此前已发布的标准主要针对轮式移动机器人、医疗机器人（如手术机器人）等。ISO18646-6的立项，标志着该系列标准正式进入具有强人机耦合特性的可穿戴机器人领域。这一标准的推出，填补了国际标准在人体外骨骼类服务机器人性能评价方面的空白，使服务机器人标准体系更加完整和立体。3.核心技术内容与试验方法详解ISO18646-6:2026并非一个概念性的指南，而是一套包含具体性能指标、测试环境、测试设备要求和数据处理方法的操作性标准。其核心内容主要围绕以下六大关键维度展开：3.1负载能力与助力效能分析-静态负载：定义了下肢可穿戴机器人在非运动状态下能够支撑的最大人体重量（或额外负重）的能力测试方法。-动态助力比：这是衡量“助力”效果的关键指标。标准规定了在不同地形（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，需检测机器人提供的正向/负向机械功率与穿戴者自身肌肉代谢减少量之间的关系，最终以“助力效率”百分比形式呈现。-疲劳测试：要求机器人在模拟“人体连续行走8小时”的工况下进行耐久性测试，评估其电机、减速器、电池以及柔性关节的热稳定性和寿命。3.2动态平衡与稳定性评估稳定性是下肢可穿戴机器人的生命线。标准引入了基于“零力矩点（ZMP）”和“捕获点（CapturePoint）”的稳定性裕度评价方法。-静态稳定裕度：在静止站立状态下，计算压力中心（CoP）相对于足部支撑多边形边界的距离。-动态稳定裕度：在行走、转向、单腿支撑等动态过程中，实时监测CoP的轨迹偏移量。标准要求当穿戴者在光滑地面或受到外部轻微扰动（如侧向推力）时，机器人能够通过调整关节力矩将CoP稳定控制在安全区域内，并定义了“可稳定恢复的极限扰动强度”。3.3步态周期匹配度与人机协调性人机耦合是穿戴机器人的核心难点。标准要求对穿戴者自然的步态与机器人关节的轨迹进行同步性分析。-相位差检测：利用安装在髋、膝、踝关节处的角度传感器，实时采集人体意图（通过肌电信号或交互力传感器）与机器人执行角度之间的相位滞后。标准规定在正常行走模式下的相位延迟不应超过50毫秒。-交互力舒适性：在下肢与机器人绑缚部位（如大腿、小腿、脚部）安装多维力传感器，测量界面压力分布。标准定义了“峰值压力阈值”和“平均压力不均匀度”，确保长时间穿戴不会引起局部压疮或软组织损伤。3.4运动学与动力学性能-关节运动范围（ROM）：测定髋关节（屈/伸、外展/内收）、膝关节（屈/伸）、踝关节（背屈/跖屈）的最大和动态有效活动角度，确保满足81%以上成年人人群的运动需求。-力矩带宽：机器人关节在高速运动时仍保持精确力矩输出的能力。标准要求在100Hz的指令频率下，实际输出力矩与目标力矩的偏差在±5%以内。-反向驱动性：在断电或紧急制动时，机器人关节能否被人体轻松移动（低阻抗），这是安全标准的重要一环。3.5能效与续航测试-功耗测试：在典型任务（如平地行走、上下楼）模式下，测量总电流、电压并计算功率消耗。-续航里程与时间：在充满电后，模拟标准体重（如75kg）人体连续行走，记录直至系统自动断电或性能严重下降的总时长与总行走距离，并要求在测试报告中明确环境温度与湿度。3.6安全性与风险评估安全是标准的底线。除了一般电气安全（IEC60601-1）外，还包含了穿戴机器人特有的安全试验。-坠落保护：模拟穿戴者意外失足时，机器人系统能否在150毫秒内触发锁定/缓冲机制，防止人体二次伤害。-急停性能：测试在任何状态下按下急停按钮后，所有关节停止运动的时间（要求小于200毫秒）以及自由运动的惯性冲击角度。-误动作检测：当传感器检测到穿戴者施加的力出现异常（如痉挛、剧烈抖动）时，机器人应立即切换至“安全模式”或“零力模式”，并进行记录。4.主要参与单位与标委会介绍本标准由国际标准化组织/机器人技术委员会（ISO/TC299）负责制定。ISO/TC299是全球机器人标准领域的最高技术权威机构，其工作范围涵盖除玩具和军用机器人以外的所有机器人类型，包括工业机器人、服务机器人、医疗机器人等。在本次标准的制定过程中，中国电子技术标准化研究院（CESI）作为我国机器人标准化的核心技术支撑机构，发挥了至关重要的作用，是该标准的关键参与者与意见提出方。中国电子技术标准化研究院成立于1963年，是工业和信息化部直属的电子信息技术领域专业标准化科研机构。作为ISO/TC299的中国国内技术对口单位之一，CESI长期以来深度参与国际标准的制定工作，致力于将中国在可穿戴机器人领域的技术积累和产业实践推向国际舞台。具体贡献体现在以下几方面：1.技术提案与验证：CESI依托其下属的机器人测评实验室，在国内率先搭建了针对下肢外骨骼的集成化测试平台。该平台集成了三维动作捕捉系统、足底压力分布板、多关节力矩传感器、高精度步态分析仪等设备，能够对标ISO18646-6中规定的绝大部分试验方法进行模拟和验证。CESI提出的关于“动态助力比”的不同步态阶段的划分方法被标准采纳，完善了标准中关于评价指标的细则。2.国际协调与互认：CESI积极组织国内具有代表性的企业（如大艾机器人、程天科技、傅利叶智能等）与国际同行进行技术比对，解决了在不同国家测试环境下，由于环境温湿度、地面摩擦系数差异导致的测量结果不一致问题。CESI提出的“基准测试人体模型”与“标准仿真路面”方案，有效降低了标准执行的系统性偏差。3.安全标准引领：鉴于可穿戴机器人与人体直接交互的特殊性，CESI在标准的“安全要求”与“风险评估”章节中提出了大量建设性意见。其基于大量临床试验数据提出的“关节过冲防护等级”以及“人机约束界面的生物兼容性测试”建议，被写入标准的规范性附录中，显著提升了标准的安全门槛。通过ISO/TC299与CESI等机构的不懈努力，ISO18646-6:2026在国际上获得了极高的认可度，成为该领域当之无愧的权威参考。5.结论与展望ISO18646-6:2026《机器人技术服务机器人的性能标准和相关试验方法第6部分:下肢可穿戴机器人》的正式发布，是服务机器人标准化进程中的一座重要里程碑。它从无到有地构建了一套涵盖机械性能、人机交互、动态稳定、环境卫生及安全风险的全方位评价体系，彻底改变了以往行业“会叫的机器就是好产品”的模糊格局。从技术发展角度看，该标准为全球研发者提供了明确的“及格线”和“优等线”。企业可以对标标准中的具体指标（如动态互动力低于多少牛顿、步态同步延迟小于多少毫秒）精准优化自己的算法与结构设计，避免闭门造车式的低水平重复。从市场监管角度看，各国监管机构终于有了一份可操作、可复现的“出厂检验”基准。未来，任何声称具备某种性能的下肢外骨骼产品，都必须通过该标准规定的检测流程才能获得市场准入许可，这对于消除劣质产品“劣币驱逐良币”的现象具有决定性意义。展望未来，随着ISO18646-6:2026的深入推广，预计将催生以下几方面的发展趋势：1.测试设备与服务的产业化：专门用于检测“人机交互力/力矩”、“动态稳定边界”的高精度测试台架和软件系统将成为一个新兴的产业方向。第三方检测机构将广泛开展该标准的测试服务。2.标准体系的深度融合：ISO18646-6可能与ISO13482（个人护理机器人安全标准）、ISO10218（工业机器人安全标准）中的相关章节进行进一步协调整合，形成更为通用、统一的“人-机器人-环境”安全标准体系。3.数据驱动标准的迭代：随着实际应用场景中大量测试数据的积累，标准中的某些静态阈值（如50毫秒的相位延迟）可能会被动态、自适应、针对不同病症（如偏瘫患者与截瘫患者）的分级标准所替代。4.推动价格下