下肢外骨骼機器人是一種結合了人體機理和機械特性的可穿戴設備，涉及機器人學、人體工程學、控制理論、傳感器技術、信息處理技術等學科，是多種高新科技的集成。利用下肢外骨骼可以讓行動不便的人重新獲得行走能力、給人更強的肢體力量承受更大負載，具有很高的應用價值。
按照功能可以將下肢外骨骼機器人划分為康復治療型外骨骼和增力型外骨骼。目前世界上主流的下肢外骨骼機器人包括以色列Rewalk、日本的HAL以及美國的EKSO GT等，但是價格都相對昂貴。近幾年國內針對骨骼的研究逐漸發展起來，開始受到更多科研機構和市場的關注。
人體運動機理研究是下肢外骨骼開發基礎
下肢外骨骼系統通常由仿生機械腿；動力源與驅動器；傳感器；以及控制器四個主要部分組成。在其開發過程中涵蓋了人體下肢運動生物力學、外骨骼機構運動學及動力學、運動狀態檢測及人體運動意圖識別、運動規划、驅動系統控制等關鍵技術。
下肢外骨骼使用過程中需要保持與人體下肢同步協調運動，因此在腿關節自由度設置、各自由度驅動配置、驅動器選型、檢測人機運動狀態的各類傳感器布置以及基於傳感器信號的人體運動意圖識別等環節都需要對下肢行走機理進行研究。
此外，為使下肢外骨骼的負載、步速、步幅等有更大的設置區間，同時可用於平地、坡地、上下樓梯等不同行走場景，也需要對下肢的行走激勵進行研究。這就需要進行各種步態下人體行走實驗，以獲得下肢各關節在不同工況下的運動學數據，並對設計的下肢外骨骼機構進行動力學分析及建模。
NOKOV度量動作捕捉能夠准確獲取人體運動數據
在行走、下蹲、起立以及上下樓梯等一些常見下肢運動過程中，下肢的全部運動結構都參與其中，這些常見動作也是下肢外骨骼機器人需要實現的動作。
運動學數據的采集測量，關鍵在於對人體在三維空間內的運動進行高精度數據捕捉。NOKOV度量動作捕捉系統為被動式光學原理，利用布置在場地周圍的動作捕捉攝像頭捕捉定位目標物在三維空間中的實時位置信息。具有定位精度高（亞毫米級）、采樣頻率高（最高380Hz）、標識物對人體運動無干擾等特點。采集數據包括人體下肢各關節的實時運動角度、角速度和角加速度，以及各部分質心的運動軌跡、速度及加速度數據。
通常場地中央還會布置步道、測力台、階梯等。配合測力台，不僅可以采集人體運動各關節角度、角速度等運動學數據，還可以根據人體動力學模型與采集到的運動學數據計算人體各關節扭矩、功率等動力學數據。
采集到的不同工況下人體運動數據不僅可以指導下肢外骨骼仿生機構的設計，同時也是外骨骼機器人動力學研究的基礎。
除了結構設計需要用到人體運動數據，在利用下肢外骨骼進行輔助訓練時，也需要利用NOKOV度量動作捕捉系統采集正常人的特定步態數據並傳輸至外骨骼機器人中，外骨骼機器人跟蹤采集到的正常人的步態軌跡，實現對患者的康復訓練目的。
NOKOV度量動作捕捉應用案例
在外骨骼機器人開發研究方向上，很多課題組選擇NOKOV度量動作捕捉系統作為其步態數據采集&性能驗證設備，下面是一些客戶案例。
南方科技大學
南方科技大學付成龍老師的人體增強機器人實驗室主要從事的是生機電一體化穿戴式機器人的研究。研究人員將NOKOV（度量）光學三維動作捕捉系統與三維測力平台、表面肌電儀、足底壓力測量儀等設備同步運行，獲取人的六自由度（6DoF）的運動軌跡和運動學參數，進行精確的步態分析，並作為運動規划和位姿規划的基礎數據，解決了相容性問題。
北京航空航天大學
北京航空航天大學陳偉海老師團隊針對樓梯這一典型場景，在基於視覺的樓梯感知和樓梯上升的步態生成方法的基礎上，提出了一種基於深度相機的下肢外骨骼上樓梯的自適應步態生成算法。
為了獲取一組自然的樓梯行走步態作為參考，陳老師團隊用NOKOV度量動作捕捉系統（由16個動作捕捉鏡頭、帶有反光標記點的動捕服和運動分析軟件組成）收集了一系列健康人在平地和樓梯上行走的下肢運動數據。動作捕捉鏡頭捕捉到下肢的反光標記點，系統計算出各個點的三維坐標，運動分析軟件將每個標記點與人體模型的特定位置關聯起來，形成完整的下肢關節。研究中，將動作捕捉系統獲取的髖關節角度和膝關節角度表示為下肢行走步態。
原文鏈接：https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5109741
中原工學院
中原工學院王璦琿老師團隊針對因腦卒中等中樞神經系統疾病而導致下肢運動障礙的患者，提出了一種將健康人體的步態數據作為控制輸入，並設計魯棒自適應PD控制器，使下肢康復機器人能夠跟隨健康人體的步態軌跡做康復訓練的控制方法。
研究人員采用NOKOV度量動作捕捉系統采集人體運動步態數據，通過捕捉粘貼人體關節處的反光標識點來獲取關節點在空間中的實時位置，數據經過擬合濾波后，通過逆運動學可以計算出下肢髖關節和膝關節的關節角，作為外骨骼機器人控制器的數據輸入。
實驗表明，在開始小幅度的波動后，下肢康復機器人的髖關節和膝關節都能夠快速跟隨到期望角度，關節角度和速度誤差可以快速收斂於0。開始時的小幅度關節位置波動也在關節運動的安全范圍以內，從而保證了系統的安全性和穩定性，也驗證了所提算法的安全性和可行性，通過相似性函數驗證機器人運動軌跡與人體運動軌跡相似極高，客觀表明人體穿戴過程中較高的舒適性。