一个髋关节置换术后的老人，每天最纠结的事情之一，是穿戴康复外骨骼。每次绑上设备，大腿根部和金属结构之间总有种"拧巴"的感觉——走不了几步就磨得疼。这不是个例，而是整个外骨骼行业长期面临的结构性难题：外骨骼的回转中心和人体髋关节中心，天然就不在同一个点上。
燕山大学电气工程学院刘福才教授团队历时多年攻关，围绕这一核心痛点形成了两项互补的国家发明专利：一项负责"精准助力"，解决外骨骼与人体髋关节转动中心对齐的问题；另一项负责"量化评价"，让外骨骼的助力效果从"凭感觉"变成"可测量"。两项专利目前均以专利权转让方式面向社会转化，每项拟交易价格2万元。
现有的髋关节助力外骨骼大多采用串联式机械结构。这种构型虽然简单、易控制，但外骨骼的回转中心很难与人体髋关节中心保持一致。长期使用产生的交互力，不仅让穿戴者感到不适，还可能对髋关节造成累积性损伤。
刘福才团队给出的方案是：放弃串联思路，改用并联机构——用三条RRPS支链（R为转动副、P为移动副、S为球副）共同驱动人体大腿运动。人体自身的髋骨、髋关节和大腿骨构成一条"虚拟约束支链"，与三条机械支链一起组成一个具有三个转动自由度的并联机构。
这套设计的核心在于，并联机构的转动中心恰好与人体髋关节中心完全重合。穿戴者在行走时，外骨骼的驱动方向与人体自然运动方向完全一致，从根源上消除了因中心错位造成的交互力。
专利（ZL202110356926.4）在结构层面做了不少细节优化。三条RRPS支链的顶部安装位置位于等腰三角形的三个顶点，内侧支链与外侧支链关于等腰三角形顶角的角平分线对称布置。每条支链中的移动副（P副）采用二级伸缩结构——导杆套在二级导套里，二级导套再套在一级导套里——有效增大了腿部的活动范围。驱动方面，每条支链顶部通过涡轮与蜗杆合，电机和减速器对称安装在固定板上，所有驱动元件集中布置，降低了整体转动惯量。
穿戴者行走时，腿部绑带组件上的惯性测量单元实时获取大腿的角速度和角加速度，解算出姿态变化规律；六维力传感器检测力和力矩值作为反馈信号，控制系统据此对电机进行实时调节，将电机力矩转化为驱动大腿运动的力和力矩，实现按需助力。腰部绑带与电控背包通过公母扣连接，上罩内侧和护板均设计为弧形面，内衬柔性垫，兼顾了贴合度和舒适性。
助力外骨骼做好之后，一个新的问题浮出水面：怎么评价它的助力效果？
此前的主流方法是"间接测量法"——让受试者在穿戴和不穿戴外骨骼两种状态下分别完成相同任务，比较肌电、心率等生理指标的差异。但个体差异和环境因素让这类数据的准确性大打折扣，很难给出一个让人信服的量化结论。
该团队的第二项专利（ZL202110450054.8）直接针对这一问题。装置包括Ⅰ型弧形架、Ⅱ型弧形架、压板和柔性垫组成的固定结构，以及分布在关键位置的6个压力传感器和一个惯性测量单元。6个压力传感器并非随机布置，而是分别对应髋关节的三个运动方向：A1点左右两侧的一对传感器（P1、P2）负责测量外摆/内收的助力大小，A2点前后两侧的一对传感器（P3、P4）测量前屈/后伸，A3点左右两侧的一对传感器（P5、P6）测量外旋/内旋。
评价方法的逻辑清晰而直接：先通过多体动力学建模建立人体下肢动力学方程，用惯性测量单元获取行走时下肢姿态的变化规律，由此推算出未穿戴外骨骼时肌肉和肌腱施加在髋关节上的力矩T'；穿戴外骨骼后，6个压力传感器实时采集数据，计算出外骨骼施加的助力力矩T；两者相除，即得助力效率η。
从"造出外骨骼"到"量化评估外骨骼"，两项专利构成了一个完整的技术闭环：前者解决了"怎么助力"，后者解决了"助了多少力"。
刘福才，燕山大学电气工程学院自动化系教授、博士生导师，2003年毕业于哈尔滨工业大学控制理论与控制工程专业。他的研究方向涵盖空间机构运动特性分析与控制、人工智能与机器人控制等多个领域，曾主持国家863计划项目6项、河北省自然科学基金面上项目4项，发表学术论文320余篇（SCI收录50余篇、EI收录90余篇），获863计划"十二五"科技攻关"科技创新之星"称号。
在外骨骼方向，刘福才团队与徐继龙、邢济湲等成员持续深耕并联髋关节外骨骼的机构设计与控制方法，近年来在《Journal of Mechanisms and Robotics》《Journal of Bionic Engineering》等国际期刊发表了多篇关于弱耦合并联髋关节外骨骼构型综合、力矩需求分析与实验验证的研究论文。目前团队已有硕士研究生90余名、博士研究生10名毕业或在校培养。
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