有源外骨骼機器人外觀造型發展趨勢

陳安迪，干靜，屈楚離，馬靜

有源外骨骼機器人外觀造型發展趨勢

陳安迪，干靜，屈楚離，馬靜

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

有源外骨骼機器人是一種為人的運動提供助力的可穿戴式動力機械裝備，近幾年在軍用和民用領域的用戶需求激增，技術水平發展迅猛；人們對其外觀造型的提升有迫切需求。本文通過追溯有源外骨骼機器人外觀造型的發展歷程，概括了國內外已有和公開在研的有源外骨骼機器人外觀造型現狀。分析有源外骨骼機器人主要功能結構對造型的顯著作用；對比不同使用領域的用戶對外骨骼造型及審美的需求；例證影視娛樂中的外骨骼形象對真實外骨骼產品產生的影響。梳理近80年來有源外骨骼機器人外觀造型的發展變化。分析有源外骨骼機器人外觀造型的發展趨勢，明顯趨勢是：材料的輕量化和柔性化、結構的仿生化與擬人化、設計風格的個性化及品牌化。

外骨骼機器人；外觀造型；發展趨勢

有源外骨骼機器人（或簡稱為有源外骨骼）是集成了智能控制、傳感、移動計算、信息等技術的人機一體化動力機械裝備。有源外骨骼機器人的作用是為穿戴者的運動提供助力和防護[1]，目前主要應用于軍事、民用和工業領域。隨著有源外骨骼機器人的人機耦合性提升，智能化、輕量化快速進步，其應用前景非常可觀。有源外骨骼機器人造型設計的從無到有，跟隨技術進步動態變化。

近年來，有源外骨骼產品種類不斷增加，不同領域中使用者的使用環境迥異，功能需求分化明顯[2]，體驗要求明確提高。有源外骨骼機器人造型不再是技術實現的自然結果，而是開發者必須重視，并迫切需要提供優質解決方案的問題。

1 演進歷史及各階段特征

19世紀30年代，英國插畫師Robert Seymour構想了蒸汽動力行走輔助裝置的概念[3]，20世紀60年代，美國通用電氣公司（GE）研發了“哈迪曼（Hardiman）”外骨骼手臂，是有源外骨骼產品的首次面世[4]。20世紀90年代至今，美國、日本、以色列、韓國等國家的有源外骨骼機器人技術研究普遍取得較大進展，較具有代表性的有美國洛克希德馬丁公司旗下的伯克利仿生科技公司研制出的軍用下肢外骨骼HULC和為殘疾人定制的外骨骼Ekso[5]、美國加州伯克利大學的重載下肢外骨骼BLEEX[6]、日本Cyberdyne公司的全身運動輔助外骨骼Hybrid Assistive Leg（HAL）[7]和以色列ReWalk康復型下肢外骨骼[8]等。

我國對有源外骨骼機器人領域的探索較晚，主要是進行理論與關鍵技術的研究，少數科研機構制作出了較完整的樣機。中國科學院較早開始研發外骨骼機器人，研制出了下肢運動輔助外骨骼系統[9]。浙江大學研制了四款有源外骨骼，分別為氣動下肢步行外骨骼[10]，肌電信號控制的康復醫療下肢外骨骼[11]，懸掛式腦卒中癱瘓患者下肢康復外骨骼[12]以及踝關節康復外骨骼[13]。哈爾濱工業大學研制了下肢殘疾患者助力外骨骼[14]和基于機電信號傳感的偏癱患者康復訓練外骨骼系統[15]。此外，電子科技大學、上海大學海軍航空工程學院等科研機構[16]和傅利葉智能、大艾機器人等科技企業也在進行有源外骨骼機器人的研究。

根據表1、圖1的時間軸可以總結出有源外骨骼機器人造型的發展變化特征：20世紀60年代到90年代，有源外骨骼機器人行業處于起步和摸索階段，面世的產品數量較少。這一階段有源外骨骼的設計定位為功能導向型軍用裝備。造型整體體積和重量較大，裝甲感和威武感強，作為人機相連接的重要部件，綁縛系統的設計相比于巨大的剛性架構來說較為薄弱。

1990年到2000年，民用有源外骨骼機器人開始了蓬勃發展，相關研究機構數量在全球范圍內開始大量增長。研究人員在驅動方式、控制系統上做了更多嘗試。但受限于當時的技術和材料，有源外骨骼機器人整體造型設計較長時間內沒有明顯的變化。

2000年至今，驅動和控制技術不斷創新，新材料和新結構不斷涌現，能夠更好地解決有源外骨骼笨重、與人體耦合差等問題。軍用和民用各領域的需求大增，對有源外骨骼機器人外觀造型表現出強烈期待。

2 發展趨勢的影響因素

有源外骨骼機器人外觀造型的發展趨勢不僅受到機器人技術、經濟社會發展等因素的制約，也會受到主體結構、應用場景、審美變化、時代潮流等多種因素的影響。下文分別就有源外骨骼機器人的結構組成、使用場景、用戶需求以及影視娛樂中的造型語言對外觀造型設計的發展趨勢產生的影響進行分析。

2.1 驅動、傳動和執行系統的決定性作用

可穿戴有源外骨骼設備的基本組成如圖2所示，主要包括外形框架、驅動系統、控制系統、傳動系統、執行系統、感知系統和綁縛系統七個基本部分[17]。通過綁縛系統連接，助力到作用對象，即穿戴外骨骼的人。工作原理是由驅動裝置施加力矩，通過與骨骼平行的桿件和與人體相連接的綁縛裝置進行力的傳遞；位于人體肌肉運動部位的姿態傳感器感知人體的運動信息、生理信號等，將信息實時反饋給控制系統，控制系統綜合計算輸入的信息并不斷輸出控制參數給驅動裝置[17]。

表1 有源外骨骼機器人發展歷史

圖1 有源外骨骼機器人發展歷史

如圖2所示，有源外骨骼基本結構中，驅動系統、傳動和執行系統、綁縛系統三個部分體積大、質量重、不易隱藏，其形狀結構決定有源外骨骼的主要形態，在結構設計中起主導作用。其他系統如控制系統、感知系統往往體積占比小，對外觀造型的設計風格影響不大；因此，注重對外觀貢獻最大的三部分的整體造型和細節造型非常重要。由于同種驅動方式下傳動和執行系統與驅動系統的外觀造型差別不大，不同驅動方式下傳動和執行系統才有較大外觀造型差異，因此根據不同驅動方式分類討論有源外骨骼的造型特點。

通過表2、圖3中對不同驅動方式的外骨骼的對比發現，液壓、電機、SEA（Series Elastic Actuator，SEA，串聯彈性驅動器）驅動的外骨骼系統體積相比氣動及氣彈簧驅動的外骨骼而言較為笨重；若有載重、行軍需求，需要長期作業使用的情況下，外骨骼傳輸力矩更大，其電池所占體積更大。軍用和民用外骨骼在形態上差異大，民用有源外骨骼造型親和力更強，更為輕便，用于康復醫療的有源外骨骼產品提供更小的力矩，自由度更少，有些康復型外骨骼會采用繩－輪驅動，配合步態監測系統及康復訓練平臺。

圖2 有源外骨骼機器人基本結構示意圖

表2 采用不同驅動方式的有源外骨骼外觀造型特征

圖3 采用不同驅動方式的有源外骨骼外觀造型特征

目前大多數有源增力型外骨骼采用位于關節位置的電機進行驅動的方式，因此外觀造型的視覺形式較為統一。隨著未來體積更小、重量更輕的驅動系統的研發，有源外骨骼機器人的外觀造型將會有較大的革新。

2.2 不同應用領域的明顯分化

隨著行業從起步到有一定成果的積累，有源外骨骼機器人的色彩、材質及表面處理工藝（Color-Material-Finishing，CMF）的設計會根據使用場景的不同分化出不同的方向。從目前市面上的有源外骨骼產品來看，工業、軍用和醫用這三類不同的應用場景中，有源外骨骼的外觀都分別具有鮮明的色彩特征。

工業應用背景下，有源外骨骼機器人CMF的耐用性、警示性突出。常用黑、灰色作為主色調，搭配高飽和度的橙色、紅色、藍色等。深色底色較為耐臟，明快的色彩很有工程語義感，與工作環境相協調，能夠促使作業人員時刻保持警惕和專注[18]。隨著應用日趨廣泛，在保證使用功能前提下，成本低的材料及其色彩會大量使用，例如黑色碳纖維、尼龍等。

軍用背景下，有源外骨骼機器人的隱蔽性要求高。為迎合軍人著裝的色彩要求，軍用有源外骨骼常用黑色或陸軍迷彩系列（綠、黃、茶、灰等）的色彩組合。在后續產品級階段，會形成與服裝等類似的標準化設計。

醫用背景下，有源外骨骼機器人要有柔和、理性等特征。醫療康復型有源外骨骼的目的是幫助需要肢體康復的病患進行恢復或輔助其正常活動。醫療產品的主色調往往為低飽和度的冷色調，傳達出冷靜、理性的情緒特征[19]。因此，市面上的醫療輔助類有源外骨骼產品目前主要有白、銀、藍、綠和黑色色調。今后隨著老年用戶的增加，更加柔和的色彩會不斷加入。

未來有源外骨骼機器人會有更加豐富的應用場景，針對不同的工作環境會衍生出更多CMF設計方案，通過不同的色彩、材質和表面工藝來表達產品的功能屬性和品牌特征。

2.3 不同用戶的審美需求

從軍用領域發展到民用領域，用戶需求更加多樣化，有源外骨骼機器人產品逐漸向著專業細化、用戶友好的方向發展。

康護領域中，輔助病患進行康復訓練、輔助護理者搬運的有源外骨骼產品應運而生。圖4（a）為美國Superflex公司針對老年人市場研制的柔性外骨骼動力服[20]，采用了可拆卸模塊化的設計，通過微型“電子肌肉”提供運動輔助[21]，造型遵從極簡主義風格，簡約、優雅。又如日本Innophys公司推出的“Muscle Suit”系列氣動腰部助力外骨骼（如圖4（b）），助力達25.5 kgf，僅重5 kg，具有防水、自重輕、穿脫快捷、用途廣泛等優點[22]。

在戶外運動領域，作為運動輔助裝備的有源外骨骼也逐漸興起。以滑雪輔助外骨骼為例，主要采用氣壓驅動[23]（圖4（c））和氣彈簧驅動[24]（圖4（d）），由于驅動方式簡單，整體造型采用較為輕巧的框架結構；結構上與其他滑雪裝備之間有較強的兼容性，能夠通過向地面借力降低穿戴者負擔；材質安全可靠，結構兼容性強；色彩涂裝上體現出動感、時尚、現代的風格，迎合了戶外運動人群的心理需求。

圖4 不同領域的外骨骼機器人產品

康護領域的有源外骨骼機器人外觀造型迎合了病患和護理者對產品的需求：材質柔軟、輕量；交互方式簡單、易于穿脫；外形簡約、美觀。比較康護領域和戶外運動領域中有源外骨骼外觀造型特征可以看出，其外觀造型發展趨勢受到不同應用領域用戶需求的顯著影響。

2.4 影視娛樂作品的引領性

影視作品與游戲中常出現未來機器人形象。影視化的外骨骼裝備多屬于工業有源外骨骼或單兵作戰類外骨骼，其造型和功能是為鏡頭語言服務的，這些熒幕上的產品形象擺脫了技術、材料和加工的限制，以現有的產品造型和功能為想象的基石，承載著人們對未來高科技的期望。例如，早在1967年的科幻電影《The Ambushers》中，就出現了啤酒廠工人穿戴著以GE的“Hardiman”外骨骼為概念原型的液壓外骨骼機器人進行搬運作業的場景，如圖5所示。

圖5 電影中的工業外骨骼

近年來，影視娛樂作品中的有源外骨骼機器人形象日漸豐滿，外觀造型更加具有未來感，如圖6所示。《明日邊緣》、《異形2》、《鋼鐵俠》等大片及FPS游戲（First-person shooting game）《使命召喚：高級戰爭》的發行，增強了大眾對有源外骨骼的認知和接受度。

圖6 影視化機器人形象

影視化的機器人外觀造型通常采用夸張的設計手法，與現實生活中的外骨骼產品相比更加前衛，更具科技感和吸引力，對正在研制的有源外骨骼機器人外觀造型設計有一定的引領作用。在國外已有的軍用外骨骼產品外觀可見電影《明日邊緣》等電影中外骨骼的類似形象。

3 發展趨勢

本文從有源外骨骼機器人外觀造型的關鍵要素——材料、結構、設計風格三方面來分析有源外骨骼機器人外觀造型的發展趨勢，主要基于1960年至今有源外骨骼機器人外觀造型發展狀況進行論述。雖然以柔性外骨骼服為代表的很多有源外骨骼機器人產品還停留在概念設計和預研階段，但從已公布進展報道仍可以看出一些造型發展的動向。

3.1 材料的輕量化和柔性化

輕型材料對傳統金屬材料的替代能夠降低外骨骼機器人的體積和密度，減輕實際重量和視覺重量感，提高使用舒適度和美觀性。從近幾十年有源外骨骼的外觀造型的發展變化可以看出，材料的輕量化和柔性化是未來造型設計的發展方向。同時，輕量化和柔性化也是用戶對于可穿戴產品的期望型需求。

由于不同類型有源外骨骼機器人助力方式不同，輕量化和柔性化的造型發展趨勢體現出兩種不同形式：一是對以老年人步行輔助外骨骼為代表的醫療康復型有源外骨骼機器人而言，由于工作力矩較小，在氣動肌肉等新驅動技術的支撐下，其造型設計正在朝著輕型柔性外骨骼服裝的方向深入探索，整體采用柔軟的紡織材料和彈性材料，通過電機驅動鮑登線或人工肌肉拉伸人體肢體末端進行助力，整體造型與人體曲線更加貼合，材質柔軟具有親和力，舒適性和透氣性更好，綁縛系統與其他系統的融合度更高。二是對于單兵重載型有源外骨骼和工業型有源外骨骼而言，驅動方式大多沿用電機、液壓等傳統驅動方法，主體結構的材料需要滿足一定的強度和剛度的要求，因此其外觀造型設計趨勢是剛柔材料相結合，主體沿用剛性材料，綁縛系統等結構上更多地選用柔性材料，最大限度減輕產品的總重量，整體外觀造型朝著模塊化的方向發展。

3.2 結構的仿生化與擬人化設計

仿生設計是借鑒自然物質的形態、色彩、肌理、結構而進行的創造性設計活動[25]。擬人化設計是基于不同的人體運動所對應的生物力學和生理學原理來指導外觀造型設計，使產品工作方式更接近人的生理特征及運動模式。通過有源外骨骼機器人近年來的外觀造型設計可以發現，人工肌肉和軟性傳感器[26]等柔性材料的使用給結構設計帶來了更多的可能性。有源外骨骼機器人的自由度隨柔性化程度的提高而增加，使得機器與人貼合度更高，運動過程中的人機碰撞和相互干預會減少[27]。因此，仿生和擬人化是有源外骨骼機器人外觀造型發展的必然趨勢。

仿生設計和擬人化的合理運用不僅能提高外骨骼系統對人體運動的助力效率，還能引領時尚潮流，實現外骨骼的功能美和形式美的統一[28]。因此未來外骨骼機器人的造型設計會更多地運用仿生與仿真的設計方法，降低外部負荷對執行任務時的穿戴者的影響，造型更加貼合人體自然曲線，運動執行方式也會貼近人體運動進程中的步態，降低能耗，減小運動阻力。

新技術和新材料的出現也為有源外骨骼機器人外觀造型的仿生和擬人化設計提供了技術支撐，如外包覆件3D打印技術，航空鋁材、碳纖維、鈦合金等材料的應用[29]，多種驅動方法相結合的驅動方式，彈性體基質和嵌入式柔性材料的軟性電池技術[30]，易于和紡織品和柔軟部件集成的傳感器技術等。

3.3 設計風格的個性化及品牌化

伴隨科技的進步，有源外骨骼機器人會逐漸從概念產品變成大家能普遍使用的工具，因此未來有源外骨骼機器人不僅要滿足使用者的生理、安全需求，還要迎合使用者的心理需要和對個性化的追求。尤其民用外骨骼，多樣化的色彩、線型、材質及表面裝飾所綜合構成的外觀造型風格能對不同領域受眾產生吸引力，贏得消費者對產品的情感認同，增加對新產品造型的接受度。但有源外骨骼機器人的用戶群體間的審美水平和消費觀念差異大，個性化的創新要充分考慮不同消費群體的審美變化和對新造型語言的接受能力，針對不同年齡、性別、工作環境的消費人群調整外觀造型設計策略。

由于外骨骼機器人的商品屬性，造型設計者應具有前瞻性，在追隨世界產品造型的潮流趨勢的同時加強自主創新能力，從大眾審美的追隨者變為大眾審美的引領者，通過產品CMF設計塑造品牌形象，才能夠更好地增加產品和品牌的認知度、促進外骨骼機器人行業的發展。

4 結語

有源外骨骼機器人最初興起于軍事領域，其外觀造型具有明顯的軍用產品特征。隨著民用醫療康復型外骨骼和工業型外骨骼的廣泛應用，有源外骨骼機器人的外觀造型越來越多樣化。有源外骨骼機器人作為高技術產品，其外觀造型自然表達功能特征。在技術層面上，人機工程學在宜人性的角度上給外骨骼的造型設計提出了輕量化、柔性化、仿生化和擬人化的設計要求；在審美和視覺層面上，有源外骨骼機器人外觀造型大量吸取了可穿戴電子產品、軍械產品、運動裝備的設計語言，同時受到不同設計風格的影響，呈現出個性化的發展趨勢。

我國有源外骨骼機器人行業起步較晚，目前正在努力追趕，現有的有源外骨骼機器人還是相對初期產品，僅少數企業在外形上進行有限創新。大部分研發單位對外觀造型不夠重視，影響其整體形象，拖累市場銷售。有源外骨骼機器人造型設計仍有很大的提升空間。因此，了解有源外骨骼機器人外觀造型的發展趨勢能夠促進我國外骨骼機器人行業更好地發展。

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Appearance Design Trend of Dynamic Exoskeleton Robot

CHEN Andi，GAN Jing，QU Chuli，MA Jing

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

Active exoskeleton robot is a wearable power mechanical equipment that provides assistance for human movement. The needs and technical level in the military and civilian fields are increasing rapidly, and the needs for the improvement of its appearance design is increasing correspondingly. In this paper, by tracing the development of the appearance of active exoskeleton robot, the present situation of the appearance of active exoskeleton robot at home and abroad is summarized; the significant influence of active exoskeleton robot's main functional structure on appearance is analyzed; the needs for exoskeleton appearance design and aesthetics of the users in different fields of are compared; the impact of the exoskeleton images in films or television programs on real active exoskeleton robots is exemplified; the development and changes of the appearance design of dynamic exoskeleton robots in the past 80 years are reviewed. The obvious trends can be summarized as: lightweight and flexible materials, bionic and anthropomorphic structures, personalized and branded design styles.

exoskeleton robot；appearance styling；development trend

TB47

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.09.011

1006－0316 (2020) 09－0073－08

2020－04－07

2018年市校合作專項基金：基于可持續的自貢市區智能公共照明系統研發（2018CDZG-11）

陳安迪（1996－），女，山東東營人，碩士研究生，主要研究方向為產品設計、計算機輔助工業設計等，E-mail：18605461593@163.com；

干靜（1968－），女，重慶人，博士，教授，主要研究方向為產品創新設計理論、計算機輔助工業設計、機械設計等。