A Reconfigurable Bidirectional Cable-Driven Hip Exoskeleton with Swappable Bench/Backpack Dual-configuration Actuation
作者: YuanLong Ji, Shuhan Xiang, Qihan Ye, Xingbang Yang
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2026-09-22
💡 一句话要点
提出可重构双向电缆驱动髋部外骨骼以解决便携性与功能性问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 髋部外骨骼 可重构设计 电缆驱动 运动辅助 康复技术 多模态数据集
📋 核心要点
- 现有的髋部外骨骼系统在便携性和功能性之间难以平衡，限制了其在不同场景下的应用。
- 本文提出了一种可重构的双向电缆驱动髋部外骨骼，能够在台式和背包式驱动之间快速切换，提升了系统的灵活性。
- 实验结果表明，该平台在30次试验中实现了30.1±16.3秒的快速切换，并形成了多模态步态数据集，为后续研究提供了数据支持。
📝 摘要（中文）
髋部外骨骼为下肢康复和运动辅助提供了重要的硬件基础。实验室康复评估和系统开发需要大量的驱动和计算资源，而移动辅助则需要无缆便携性。将两者集成在一个可重复使用的平台中仍然是一个核心设计挑战。本文提出了一种可重构的双向电缆驱动髋部外骨骼平台，能够快速在台式和背包式驱动之间切换，同时共享一个无缆可穿戴的髋部接口。该平台模块化地适应驱动配置、末端执行器传感路径和低级控制接口。实验验证了该平台在不同配置下的运动跟踪能力，形成了小规模的多模态可穿戴外骨骼步态数据集，为传感验证和数据驱动算法开发提供了基础。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有髋部外骨骼在便携性与功能性之间的矛盾，现有系统往往无法同时满足实验室和移动辅助的需求。
核心思路：提出一种可重构的双向电缆驱动平台，通过共享可穿戴接口，实现台式与背包式驱动的快速切换，增强系统的适应性和实用性。
技术框架：该平台由模块化的驱动配置、末端执行器传感路径和低级控制接口组成，能够根据使用场景灵活调整。
关键创新：最重要的创新在于统一了可穿戴结构、驱动接口和传感路径，使得同一髋部外骨骼能够在不同配置下进行验证，提供了可重复使用的硬件基础。
关键设计：每个电缆驱动的末端执行器重0.405千克，集成了编码器和扭矩传感器，采用了基于适应性的运动跟踪和开环扭矩跟踪技术。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，该平台在30次试验中实现了30.1±16.3秒的快速切换，验证了其在台式和背包式配置下的运动跟踪能力，形成了包含8分钟台式跑步机记录和11分钟背包式户外步行记录的小规模多模态数据集。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括下肢康复、运动辅助和人机交互等。通过提供一个灵活的外骨骼平台，可以在不同的环境中进行有效的康复训练和运动辅助，具有重要的实际价值和广泛的应用前景。
📄 摘要（原文）
Hip exoskeletons provide an important hardware basis for lower-limb rehabilitation and locomotor assistance. Laboratory rehabilitation assessment and system development require substantial actuation and computing resources, whereas mobile assistance requires untethered portability. Integrating both capabilities within one reusable platform remains a central design challenge. This paper presents a reconfigurable bidirectional cable-driven hip exoskeleton platform that rapidly switches between bench-mounted and backpack-mounted actuation while sharing one cable-free wearable hip interface. The platform modularly adapts the actuation configuration, end-effector sensing path, and low-level control interface. Each cable-driven end-effector weighs 0.405 kg, excluding the cable and actuation unit, and integrates an encoder and a torque sensor; experiments validated bench-mounted admittance-based motion tracking capability and backpack-mounted open-loop torque tracking. Human-worn experiments with three healthy participants used myoMOTION to evaluate the platform's wearable-side hip-motion sensing capability, verified bench-to-backpack and backpack-to-bench motion-ready switching across 30 trials in $30.1\pm16.3$ s, and formed a small-scale multimodal wearable-exoskeleton gait dataset for sensing validation and data-driven algorithm development, comprising 8 min bench-mounted treadmill records and 11 min backpack-mounted outdoor walking records. These results show that, by unifying the wearable structure, actuation interface, and sensing path, the proposed platform enables validation of the same hip exoskeleton in both bench-mounted and backpack-mounted configurations, providing reusable hardware for iterative development and applications across scenarios.