可穿戴设备上的“脚轮”：辅助行走或负重的外骨骼应用
2025-11-10 7:49:13
在传统认知中，“脚轮”是固定在推车、货架等设备底部，通过滚动实现移动的部件。但在可穿戴技术领域，尤其是辅助行走或负重的外骨骼设备中，“脚轮”的概念被赋予了新的内涵——它并非传统意义上的独立旋转轮体，而是通过轮式结构与仿生机械的融合设计，嵌入外骨骼系统中，帮助穿戴者更高效地移动、承载或减轻下肢负荷。这种“可穿戴脚轮”的核心目标，是通过机械辅助弥补人体运动能力的局限（如老年人步态衰弱、负重人员体能消耗大、截瘫患者行动障碍），本质上是一种“人机协同”的移动增强方案。中山市飞步脚轮有限公司（以下简称“飞步”）作为脚轮领域的专业制造商，近年来与外骨骼研发机构合作，探索将传统脚轮的滚动原理与外骨骼的仿生结构结合，开发出适用于医疗康复、军事负重、工业作业等场景的“轮式辅助外骨骼”。本文将深入解析这类特殊“脚轮”的技术逻辑、应用场景及未来潜力，揭示其如何通过“滚动替代部分步行”或“负重分担”来重塑人类的移动方式。
一、传统外骨骼的局限与“轮式辅助”的创新思路
1. 传统外骨骼的痛点：能耗高、场景受限
外骨骼设备通过电机、液压或弹簧等动力源，直接辅助人体关节（如髋、膝、踝）发力，帮助穿戴者抬起腿部、分担体重或增强步态稳定性。但其存在显著局限性：
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能耗与续航：电动外骨骼依赖电池供电，持续助力时功耗高（如辅助行走时电机需每秒多次调整扭矩），导致续航时间短（通常＜2小时），难以满足全天候需求；
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复杂地形适应性差：传统外骨骼设计基于“模仿人体步行”，依赖腿部关节的弯曲与伸展，在楼梯、碎石路、泥泞地面等非结构化场景中，机械结构的灵活性不足，甚至可能增加跌倒风险；
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负重能力瓶颈：对于需要承载重物（如50kg以上装备）的场景（如军事物资运输、工业零件搬运），单纯依靠外骨骼关节助力可能导致结构过载（需额外加固腿部框架），反而增加穿戴者的负担。
2. “轮式辅助外骨骼”的破局逻辑
“可穿戴脚轮”的创新在于：将部分步行动作转化为滚动移动，通过轮式结构替代足底与地面的滑动摩擦，或在负重时通过轮体分担垂直压力，从而降低人体能耗并扩展应用场景。其核心设计思路包括：
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部分替代步行：在平坦硬质地面（如室内走廊、机场跑道），穿戴者可通过“滚动步态”（类似滑步）移动，利用轮子的低摩擦特性减少腿部肌肉发力；
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负重分担：轮体直接接触地面并承载部分重量（如30%-50%的体重或负重），通过机械结构将压力传递至轮轴而非人体关节，缓解膝关节与踝关节的压力；
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混合模式切换：结合传统外骨骼的关节助力与轮式滚动的优势，在需要攀爬楼梯时切换为“步行模式”（收起轮体），在平坦路段启用“滚动模式”（展开轮体），实现全场景适配。
二、可穿戴“脚轮”的核心技术与设计要点
这类特殊“脚轮”并非简单的工业脚轮移植，而是需要针对人体运动特性（如步态周期、足底压力分布）与外骨骼的仿生结构进行定制化设计，其关键技术体现在以下方面：
1. 轮体结构：轻量化、高承载与仿生适配
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材质选择：优先采用轻质高强度材料（如碳纤维轮芯+聚氨酯轮面），碳纤维轮芯的密度仅为钢的1/4（约1.8g/cm³），可大幅降低轮体自重（单轮重量＜300g），减少对穿戴者腿部运动的额外负荷；聚氨酯轮面则提供良好的耐磨性（适应长期滚动摩擦）与适度弹性（缓冲足底冲击）。
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尺寸与布局：轮体直径通常为100-150mm（小于传统工业脚轮，避免过高重心影响平衡），宽度50-80mm（确保与地面接触面积足够分散压力）。轮体安装位置模拟人体足跟或前掌（根据步态阶段调整），例如在踝关节下方设置一对可伸缩轮体，行走时轮体接触地面并滚动，抬脚时轮体收起避免绊倒。
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仿生适配：轮面纹理设计参考足底压力分布（如前掌压力集中区增加防滑纹路，后跟区设计缓冲凹槽），确保滚动时与地面摩擦力稳定；部分型号采用“可变形轮面”（如记忆橡胶材质），根据地面坡度自动调整轮体曲率（上坡时轮面变陡，下坡时轮面变缓）。
2. 驱动与控制：人机协同的智能交互
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驱动方式：分为被动助力（无电机，依靠人体自身推力驱动轮子滚动）与主动驱动（集成微型电机，辅助轮体旋转）。被动驱动更适合轻载场景（如老年人辅助行走），通过轮子的低滚动阻力（聚氨酯轮面摩擦系数＜0.1）减少腿部发力；主动驱动则用于负重或复杂地形（如医疗康复外骨骼），电机根据传感器数据（如步速、步态角度）实时调整扭矩，确保滚动与步态同步。
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模式切换：通过穿戴者的动作意图识别（如膝盖弯曲角度、足底压力变化）或手动按钮，实现“滚动模式”与“步行模式”的无缝切换。例如，当检测到穿戴者准备上楼梯时，轮体自动收起并锁定，外骨骼切换为关节助力模式；在平地行走时，轮体展开并接触地面，辅助滚动移动。
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平衡控制：集成陀螺仪与加速度传感器，实时监测穿戴者的重心偏移（如行走时身体左右摇晃），通过微调轮体角度（如轻微转向抵消侧向力）或外骨骼踝关节扭矩，维持动态平衡，防止跌倒。
3. 负重分担机制：压力传递与结构优化
对于需要承载重物的场景（如士兵背负30kg装备、工人搬运零件），轮式外骨骼通过“轮体-支架-人体”的力学结构设计，将部分重量转移至地面：
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力分配算法：传感器实时采集足底压力（如前掌压力＞后跟压力时，判断为起步阶段），控制系统动态调整轮体与外骨骼关节的受力比例（例如将总负重的40%通过轮体传递至地面，剩余60%由人体关节承担）；
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减震缓冲：轮轴与支架之间集成弹簧或阻尼器（如液压减震器），过滤地面不平整导致的震动（如碎石路的颠簸），避免冲击力直接传导至膝关节；
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结构加固：轮体支架采用钛合金或碳纤维复合材料（轻质且高强度），确保在承载重物时不变形，同时与外骨骼主体通过快拆接口连接（便于根据任务需求调整轮体数量或位置）。
三、典型应用
1. 医疗康复：辅助行走与跌倒预防
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场景需求：老年人或术后患者（如膝关节置换术后）步态不稳、肌力不足，传统拐杖或助行器移动效率低且依赖双手，而全外骨骼设备成本高、操作复杂。
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解决方案：轻量化轮式辅助外骨骼（如飞步与某康复机构合作的原型机），在双踝关节下方各安装一对可伸缩聚氨酯轮（直径120mm，碳纤维轮芯），穿戴者行走时轮体接触地面并滚动，减少腿部肌肉发力（实验显示可降低膝关节负荷约30%）；遇到障碍物时，轮体自动收起，切换为普通步行模式。临床测试表明，该设备帮助老年患者步行速度提升25%，跌倒风险降低40%。
2. 军事负重：长距离物资运输
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场景需求：士兵需在野外负重30-50kg装备（如弹药、通讯器材）行进数十公里，传统外骨骼虽能分担部分重量，但复杂地形（如山地、丛林）中关节助力易过载，且能耗极高。
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解决方案：混合模式轮式外骨骼（如美军“XOS”外骨骼的衍生实验型号），在双膝与踝关节下方集成可折叠轮体（直径150mm，尼龙轮芯+聚氨酯包胶），平坦路面（如公路、营地）启用滚动模式——轮体接触地面承载50%负重（约15-25kg），电机辅助轮体旋转（降低士兵腿部推力需求）；进入非结构化地形时，轮体收起，外骨骼切换为纯关节助力模式。实测显示，该设计使士兵在平坦路段的行进速度提升40%，续航时间延长1倍。
3. 工业作业：重物搬运辅助
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场景需求：工厂工人需频繁搬运20-40kg零件（如汽车零部件、机械模具），长期作业导致腰椎与膝关节劳损，传统脚轮推车无法适应“人随货走”的灵活需求（如需跟随生产线移动）。
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解决方案：个人化轮式辅助外骨骼（如某汽车工厂定制型号），在穿戴者的双脚外骨骼底部安装一对可旋转轮体（直径100mm，碳纤维轮芯），搬运重物时轮体接触地面，将30%的零件重量（约6-12kg）通过轮体传递至地面，同时外骨骼肘部与腰部提供辅助支撑（分担剩余重量）。工人反馈，该设备使搬运时的腰部压力显著降低，单次作业时间延长30%而不疲劳。
四、挑战与未来发展方向
尽管可穿戴“脚轮”外骨骼展现出巨大潜力，但其商业化仍面临以下挑战：
1. 技术瓶颈
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人机协同的精准性：如何通过传感器与算法准确识别穿戴者的运动意图（如区分“正常步行”与“紧急制动”），并实时调整轮体状态（如滚动速度、角度），避免“助力过度”（干扰自然步态）或“助力不足”（无法缓解负荷）；
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复杂地形的适应性：在非结构化地面（如楼梯、斜坡、泥地）中，轮式结构可能因接触面积小而打滑（如湿滑瓷砖），或因轮体收起/展开不及时导致跌倒风险，需进一步优化模式切换逻辑与地形感知能力。
2. 成本与普及性
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目前集成轮式结构的外骨骼设备成本较高（研发与材料费用占主导），单套设备价格可能超过10万元（传统医疗外骨骼约5-8万元），限制了其在民用市场的推广；
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轻量化材料（如碳纤维、钛合金）的供应链成本较高，需通过规模化生产降低成本。
3. 用户接受度
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穿戴者可能对“机械辅助行走”的安全性存在疑虑（如轮体突然故障导致摔倒），需通过冗余设计（如备用锁定机构）与长期可靠性测试提升信任度；
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长期佩戴的舒适性（如轮体对足底的压迫感、外骨骼支架的重量分布）需进一步优化。
未来展望：从“辅助工具”到“第二层皮肤”
随着传感器技术（如柔性压力传感器、AI步态识别算法）、材料科学（如超轻高强复合材料、自修复材料）与人工智能的进步，可穿戴“脚轮”外骨骼将向更轻量化、更智能化、更普适化方向发展：
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智能预测：通过机器学习分析穿戴者的历史步态数据，提前预判运动意图（如即将上楼梯时自动预收起轮体），实现“无感切换”；
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全场景覆盖：开发模块化轮体（如可更换不同纹理/直径的轮面，适配雪地、沙地等特殊地形），使外骨骼能在90%以上的日常场景中发挥作用；
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人机共生：最终目标是将轮式辅助结构与人体运动本能深度融合，让穿戴者几乎感觉不到机械的存在，如同“第二层皮肤”般自然增强移动能力。
结语可穿戴设备上的“脚轮”，本质上是传统脚轮原理与外骨骼仿生技术的跨界融合。它并非简单复制工业脚轮的功能，而是通过“滚动替代步行”“轮体分担负重”的创新设计，为医疗康复、军事作业、工业生产等领域提供了更高效、更安全的移动解决方案。中山市飞步脚轮有限公司的探索表明，当脚轮从“设备附件”升级为“人体能力的延伸”时，它将重新定义人类的移动边界——让行走更轻松，让负重更简单，让每一个人都能突破自身局限，走向更广阔的世界。