NUS 余浩泳教授：外骨骼的輕量化與任務感知丨ICRA 2026

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2026 年 6 月 2 日下午，在 ICRA 2026 醫療機器人主題 keynote 環節，新加坡國立大學（NUS）Haoyong Yu 發表演講，回顧了其團隊過去 10 年在可穿戴機器人與外骨骼方向的研究。

 

 

與許多強調“機器人能力堆疊”的路線不同，他的核心問題更直接：外骨骼的需求明明巨大，為什么仍然沒有被廣泛使用？

 

他的回答并不是“市場還沒準備好”，而是要求機器人研究者反過來審視自身：現有外骨骼往往太重、不夠舒適、穿戴復雜、控制困難且成本高。

 

真正走向產業應用的可穿戴機器人，必須從結構設計、感知與控制三個層面同時降復雜度。

 

在背部支撐、肩部支撐和髖部行走輔助三個案例中，Haoyong Yu 反復強調一種工程取舍：能用一個電機解決的問題，就不要用兩個電機制造同步控制難題；能用足夠簡單、魯棒的傳感方式完成任務識別，就不必把系統做成難以穿戴和維護的復雜傳感陣列。

 

因此，這場演講的核心洞察是：可穿戴機器人真正的難點，不只是“給人更多力”，而是讓輔助力在正確的時間、正確的身體部位、以不妨礙人的方式出現。外骨骼若想成為日常工具，必須先變得像衣物一樣輕便、像機械傳動一樣可靠、像人的動作意圖一樣自然。

 

演講中的幾個關鍵判斷可以概括為：

 

以下為 NUS 余浩泳教授在 ICRA 2026 大會上的演講精編。AI 科技評論根據現場參會記錄與原英文演講內容，在不改變原意的基礎上進行了翻譯與編輯。

從老齡化挑戰到可穿戴機器人需求

我在新加坡國立大學建立了 Biorobotics Lab，主要關注老齡化人口帶來的巨大挑戰。過去幾年，我逐漸把更多精力放在面向現有勞動者和患者的可穿戴機器人上。

今天我會聚焦幾個工業應用中的外骨骼案例。它們反映了我們如何嘗試應對可穿戴機器人技術面臨的一些挑戰。大家可以看到，實際需求非常巨大：我們都在談老齡化勞動力、工人保護；建筑行業和物流行業的工人面臨大量肌肉骨骼損傷問題；同時，很多老年人也仍然希望保持活躍生活，市場上也已經有很多現有設備。

 

 

但是，為什么外骨骼還沒有被廣泛使用？

我們認為，作為一個研究共同體，我們也需要反過來看自己，不要只是責怪市場。我們是不是做得足夠好？很多我們做出來的外骨骼仍然很重，不夠容易使用，穿戴不那么舒適，而且成本很高。

所以，我們仍然需要退一步，看看怎樣才能把系統設計得更好，包括更好的感知、更好的控制，以及更好的結構設計。接下來我會用幾個設備作為例子，說明我們如何嘗試處理這些問題。我們當然不能解決所有挑戰，但至少可以盡力去面對其中一些關鍵問題。

我首先從背部支撐外骨骼講起。腰背損傷在工傷中排名第一，造成的經濟損失也非常高。這里展示的是僅美國的數據，我認為歐洲、中國、日本等地區也會面對同樣的問題。

背部支撐外骨骼的工作原理是什么？基本上，它是把負載繞過脊柱，把負載傳遞到腿部，從而減輕腰背負擔。

 這里有一個大約 30 年前日本設備的例子。你可以看到，它非常有力，也很直觀：在兩個關節上放兩個電機，就可以提供很強的支撐。但問題在于，它非常重，也很難在工作場景中真正使用，所以并沒有被廣泛看到。

我們最初也開發過類似有多個執行器的外骨骼，但后來意識到，結構和控制都會遇到問題。最后，我們在這類設備上采用了單電機方案。你可以想象，外骨骼實際要做的，是為軀干運動提供輔助，而這個被輔助的動作本質上只有一個自由度。既然如此，為什么一定要用兩個電機？

使用兩個電機會增加兩側同步運動的難度。人在彎腰、移動、走動時，兩側動作并不完全一致，兩個電機的控制會變得更復雜。作為機械工程師，我們想到傳統燃油車只有一臺發動機，但至少可以驅動兩個輪子，有時甚至驅動四個輪子。那為什么不把同樣的原理用于外骨骼，用一臺電機來驅動兩側？

這樣帶來了很大好處：電機數量減少，重量和成本下降，控制也更容易，因為不需要讓左右兩側設備精確同步。我們還使用了串聯彈性元件，把內在柔順性引入系統，讓設備更舒適。這個原型內部其實很簡單：通過線纜，一臺電機可以給兩條腿提供相等的力，同時允許兩側在速度和角度上自由變化。雷峰網(公眾號：雷峰網)

通過這種方式，我們得到一個更輕的系統，兩側可以獲得相等的力，同時在運動頻率上有更好的靈活性。當然，我們仍然需要做生物力學測試來證明它的效果。實驗顯示，它可以提供約 30% 到 45% 的輔助。設備的演示也說明，使用單電機之后，整體動作更容易控制。

 

第二個設備關注的是另一個高發傷害部位，也就是肩關節。建筑和物流行業的工人經常需要長時間舉著工具過頭作業，也有很多反復抬舉的任務，這會給現場工人帶來很大問題。

我們開發的這個設備，基本上采用了類似的工作原理，用來支撐上臂，幫助工人完成過頭作業。它的原則也很相似：使用一個電機，通過同樣大小的力，為兩側提供不同角度和不同速度下的輔助，從而在手臂運動上保留更多靈活性。

設備內部基本上是一臺電機驅動一個機構，串聯彈性元件也被集成進去，再通過線纜路徑形成差速機構，驅動兩側手臂。雷峰網

我們希望設備更輕，也希望它在雙手運動上有更多自由度。我們沒有停在這里。

 

髖部外骨骼現在已經很常見，尤其是在中國市場。很多人希望用它去爬山、徒步。

當我們想把這類設備用于行走輔助時，發現如果使用兩個電機，很難很好地同步，也很難實現良好的人機協同。尤其是老年人在不同步態和地形下行走時，這個問題會更加明顯。

所以我們又為這個應用設計了一個差速機構，也盡量保持簡單。通過減少機械結構，并使用單電機，可以滿足需求。

我們還發現，任務感知和環境感知是另一個關鍵挑戰。

設備要真正與人的動作同步使用，就必須知道人在做什么。于是我們開發了 FMT 傳感器，以及相關的感知機制，使設備能夠更好地檢測任務，并提供自適應控制。

在背部支撐外骨骼中，如果你測試過這類設備，就會發現：如果把輔助力調得很高，而你實際上并沒有搬重物，你可能會因為突然出現的巨大輔助力而遇到危險。因此，檢測你正在搬多重的物體非常重要。

肩部支撐外骨骼也是一樣。對于髖部外骨骼來說，檢測你是在平地行走、上樓、下樓，還是走在不規則地形上，也非常重要。否則，你可能不得不依靠開關，把設備切換到不同工作模式。

傳統上，你可以使用 EMG 傳感器，也可以使用 IMU，并把多種傳感器組合起來。但 EMG 傳感器需要貼在皮膚上，IMU 往往需要布置在身體多個節段上，才能實現比較好的控制和動作分割。

我們的做法是把 FMT 傳感器做成陣列。它可以綁在衣服外面，不需要直接接觸皮膚。我們還在標定階段加入了振動電機，并使用簡單的感知算法，實現了不錯的自適應控制。

簡單來說，FMT 是一種力敏傳感方式，可以通過肌肉體積變化來感知肌肉運動。把它做成陣列之后，再配合簡單分類機制，就可以檢測工作負載、工作模式和任務類別。它不一定像 EMG 那樣精確，但對于控制外骨骼而言已經足夠，而且硬件很容易使用，也很容易穿戴。

 

 

當然，第一步是做分類，并訓練系統，讓它能適用于不同用戶。如果每個用戶、每個任務都要重新做訓練和標定，這就不夠高效。我們使用一些簡單網絡來訓練分類器。

為什么不是連續輸出，而是幾個等級？因為為了保持簡單，并且讓響應時間達到實時要求，幾個等級就已經足夠。最初我們只是想檢測用戶是否正在搬東西，后來擴展到四個等級，也已經比較有效。我們不需要把它做得過于復雜。

這里是它和現有方法的一些比較。它的準確率更高，延遲也小得多，這對實時通信非常重要。這里展示的是一個非常簡單的實驗室測試，用來判斷用戶是否在搬 5 kg、10 kg 或者其他重量。這個系統目前仍處在實驗室測試階段。

現在，整個系統已經被優化并集成到這樣一個設備中。這個外骨骼有兩個主要部分：一部分是軀干部分，像夾克一樣穿在身上；另一部分是腿部結構，連接在大腿位置。這兩個部分會在你彎腰抬起物體時一起工作。

你們現在看到的是綁在手臂上的傳感帶，它會使用 FMT 傳感器感知你拿了多重的東西。如果你手里拿的是很重的物體，外骨骼就會檢測到這一點，并按負載比例增加輔助。如果你沒有拿很多重量，它就會減少輔助，避免妨礙你的動作。

 

 

對于這個應用，你只需要一個傳感器。所以當你穿上外骨骼之后，只需要打開它，等待標定，設備就會初始化。

我們的外骨骼很容易穿戴，并使用智能算法來調節輔助。因為時間有限，我不會展開所有細節。對于肩部應用，我們也可以使用這種傳感帶，做任務識別和自適應控制。下面我再花幾分鐘講行走輔助，也就是髖部外骨骼。如我剛才提到的，在不同地形和不同速度下行走，是非常有挑戰的。

我們意識到，對于這類應用，你只需要為擺動腿提供輔助力；對另一條腿，則可以提供一定支撐或者保持在后方。因此真正需要檢測的是：哪條腿正在擺動。

這就是我們把傳感帶集成到單電機髖部外骨骼中的方式。我們做了一些分類與控制，可以實現一定程度的地形適應。這里可以看到信號從平地行走開始，再到其他地形；系統不需要手動切換模式，就能檢測任務并自適應地提供輔助力。

我的夢想是，即使以后退休，我仍然可以和年輕學生一起競爭、一起走到任何我想去的地方。最后，我要感謝資助機構多年來的慷慨支持，也感謝我的團隊在過去至少 10 年里和我一起完成這些有趣的工作。謝謝大家。

Q&A 問答環節

聽眾提問：謝謝您的演講。EMG 通常被用于評估可穿戴機器人，但我使用時發現它噪聲很大，也很難復現。有沒有其他方法來評估可穿戴機器人？

余浩泳：在另一條線上，我們會用 EMG 作為測量，用來證明肌肉激活或肌肉剛度變化的效果。但在實時控制中，我們使用的是 FMT 傳感器。它沒有那么精確，但好處是可以放在衣服上，不需要直接貼在皮膚上。

聽眾提問：那您的指標是否仍然依賴 EMG？

余浩泳：是的。在實驗室評估中，我們使用商用醫用級 EMG 傳感器，可以得到很好的測量結果。這也是評估這類設備時比較常用的方法。

聽眾提問：我想問任務意圖檢測的問題，這對可穿戴設備非常重要。您的方法是使用傳感器檢測任務。如果尋找其他替代方式，比如利用可穿戴設備內部的執行器或其他信息，您怎么看？

余浩泳：執行器或者內部傳感器不一定能夠檢測負載。檢測用戶到底背了多重、拿了多重，有很多方式。有人會把傳感器放在抓握位置，我們也嘗試過 EMG，也嘗試過視覺。所以方法很多。但到目前為止，在我們實驗室里，FMT 是我們發現的非常魯棒、也很容易使用的方法。

聽眾提問：進一步的問題是：如果系統已經適應并知道了任務，下一步系統如何響應任務？是改變控制器，還是采取其他方式？

余浩泳：大多數時候，你只需要提供不同等級的輔助。但對于行走來說，平地行走、上樓、下樓需要不同的控制器。因此在內部，一旦你對任務有足夠好的感知和置信度，系統當然可以在沒有外部干預、也不需要按按鈕的情況下進行切換。

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