有源外骨骼綁縛系統安全性與舒適性設計探究

明子微 干靜 羅文雪 王名祺

摘要：為提升有源外骨骼機器人作為人機系統的可穿戴性，從綁縛系統角度展開探究，以其安全性與舒適性為切入點，在此基礎上構建了有源外骨骼綁縛系統的系統性概念與設計優(yōu)化方向，得到了針對綁縛壓力、綁縛部位、綁縛時間、綁縛材料、快速脫卸5個安全性設計策略和針對壓力分布、織物觸感、適配性和綁縛穿脫4個舒適性設計策略。

關鍵詞：有源外骨骼;綁縛系統;人機耦合;安全性設計;舒適性設計

中圖分類號：TB472???? 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2020）09-0134-03

Abstract：Inorder to improve the wearability of the active exoskeleton robot asa human-machine system，this work explores from the perspective of the binding system and uses its safety and comfort as the starting point.Based on that，the

systematic concept and design optimization direction of the active exoskeleton binding system were constructed.At the same time，5safety design strategies for bindingpressure，bindingposition，bindingtime，bindingmaterial，quickrelease and

4comfort designstrategiesfor pressure distribution，fabrictouch，?t，andtie-in and take-off were obtained.

Keywords：Active exoskeleton Binding system Man-machine coupling Safety design;Comfort design

引言

外骨骼是一種可穿戴的機電智能系統，可跟隨穿戴者的動作獲取運動信息或者通過外骨骼自身動力裝置起到增強穿戴者身體機能的作用[1]。由于高額的工傷成本、加速的老齡化社會進程和日益增長的單兵作戰(zhàn)能力需求等客觀現實，有源助力外骨骼在物流倉儲、醫(yī)療康復、現代軍事等領域都有著非常廣泛的應用前景與市場，在眾多領域為穿戴者提供負重支撐和運動輔助的外骨骼已成為近年來國內外機器人研究的熱點。

有源助力外骨骼作為一種可穿戴的高度人機一體化設備系統，包括運動意圖識別、驅動助力、控制操作或裝配連接等功能在內都需通過與人體直接產生物理接觸的方式實現。作為外骨骼的重要組成部分，綁縛系統不僅負責外骨骼與人體的連接與固定，還是外骨骼系統中承擔人機交互的物理界面。因在外骨骼的使用過程中需要人體持續(xù)穿戴進行操作，所以從可穿戴性的角度關注人機之間的接觸狀態(tài)和交互體驗尤為重要，這也是外骨骼性能評價的關鍵指標之一。近年以來，有源外骨骼在機械結構、機電一體化和控制策略等方面均已取得了一定的研究成果，但以綁縛系統為主要研究內容的人機交互體驗方面研究還相對較少。

本文在參考研讀目前世界各國大量相關學術論文及自身對于綁縛系統設計經驗的基礎上，對外骨骼綁縛系統的可穿戴性展開探究，分別從安全性與舒適性的角度出發(fā)，提出了相關設計策略以期降低外骨骼在助力過程中的安全隱患，并提升了穿戴者的使用舒適感。

一、綁縛系統簡介

有源助力外骨骼從技術路徑層面一般分為傳感系統、控制系統和驅動系統三大核心系統，傳感系統收集運動相關的信號傳遞給控制系統，控制系統處理傳遞來的信號轉化為運動指令再傳遞到驅動系統，最終由驅動系統帶動外骨骼的助力行為[2]。從結構支撐層面外骨骼可分為機械系統和綁縛系統，其中機械系統是由背板、腰架或腿部桿件等力傳遞結構件構成的外骨骼剛性骨架。綁縛系統則是由作用在肢體、腰部或背部等用于實現人機匹配和協同運動的包覆件所構成的柔性支撐。作為穿戴者與外骨骼剛性結構之間的物理接觸界面，綁縛系統也是人體與外骨骼之間運動及力反饋等信息傳遞的重要渠道。人機之間的高度耦合和人機隨動通過綁縛系統實現，其設計除需滿足基本穿戴要求與人機聯動性等功能外，還期望有助于減緩穿戴疲勞感、增加操作持久力并為穿戴者營造良好的生理與心理感受，如圖1。

外骨骼與人體連接的形式并非統一，不同的綁縛形式除在人體感知層面存在差異外，對于人機構成的整體物理系統耦合性也有很大影響。目前較為常見的綁縛形式為綁帶固連與剛柔耦合的柔順人機連接：綁帶固連是將柔性綁帶通過尼龍粘扣等形式直接與四肢及其他部位連接以達到固定外骨骼的目的，由于純柔性材料在助力過程對力的吸收以及人機之間難以避免的關節(jié)對準誤差，綁帶固接的形式將在綁縛部位產生較大約束力，因此多用于實驗室樣機階段。剛柔耦合的柔順人機連接采取剛性構件作為綁縛系統特定部位的外包覆件使力矩的傳遞效率更高，在剛性構件內側嵌套柔性構件與人體直接接觸并進行連接，在確保人機隨動協調的前提下，在壓力緩沖和體感舒適等方面對于穿戴舒適性與個體適應性具有積極影響。除上述常見的綁縛形式外也有一些較為特殊的綁縛形式，如日本研究學者Hasegawa為提高穿戴的舒適性與可操作性，采用空氣氣墊實現人體和外骨骼之間的耦合，通過控制氣墊充放氣體而改變耦合強度從而保證穿戴時的剛度和脫卸外骨骼時所需要的低連接強度[3]。Hasegawa還提出了另一種新型夾具的綁縛形式提高了手部抓握外骨骼的可穿戴性，由于該夾具具有重量輕和外形薄等優(yōu)勢，在人機耦合穩(wěn)定的基礎上對于手指本身的運動不會產生妨礙[4]，如圖2。

二、安全性設計探究

外骨骼綁縛系統的安全性是指在穿戴外骨骼完成既定功能過程中不發(fā)生意外的能力，它表明系統在預期的使用環(huán)境和使用限制下綁縛系統實現人機匹配穩(wěn)定的性能。外骨骼綁縛系統可能對穿戴者造成的傷害通常情況下來自于表皮壓力過大與運動沖突，導致產生皮膚損傷、肢體干涉、重心不穩(wěn)等問題。

（一）綁縛壓力：綁縛壓力是指人體穿戴外骨骼時垂直作用于人體表面，單位面積內受到的作用力。外骨骼的綁縛系統往往通過壓迫人體表皮的軟組織以增加人機匹配穩(wěn)定性和提高接觸剛度，由此提升外骨骼與人體之間的交互接觸力傳遞效率[5]。適度的綁縛壓力對人機的協同運動具有積極影響，運動過程中的適度壓力能刺激人體神經興奮達到提高運動能力的效果。但過度的綁縛壓力會造成人體損傷，比如當人皮膚表面承受的壓力大于30mmHg時，會導致表面毛細血管血液不流通，危及軟組織的安全[6]。由于外骨骼使用時間較長，將整個使用過程中綁縛系統產生的動態(tài)壓力控制在安全范圍內至關重要。

綁縛壓力主要來源于綁縛系統所承擔的外骨骼自重、靜態(tài)約束力和動態(tài)反作用力。

外骨骼本身重量對身體造成的壓力主要體現在穿戴者的肩部與腰部綁縛構件。除了對外骨骼整體系統進行輕量化設計外，在壓力集中的綁縛部位采取附加措施有助于緩解局部壓強，如在特定部位運用氣囊結構的綁縛材料，在外骨骼使用過程中其內部氣體互相流動，產生均勻受壓“反重力”起到減震緩沖作用。

靜態(tài)約束力是綁縛構件束縛人體所造成的壓力，簡稱束縛壓，通常體現在穿戴者的四肢綁縛構件。控制束縛壓通常從與人體直接接觸的材料出發(fā)，選用拉伸性能好的柔性親膚柔性層面料，另外，柔性層形狀需擬合人體四肢綁縛部位形狀，使其受壓均勻。

動態(tài)反作用力是外骨骼在助力過程中綁縛構件為適應人體運動變化而引起的變形，產生垂直于人體曲面的分解力形成的壓力，包括拉伸、壓縮、剪切和彎曲應力，簡稱面壓[7]。由于外骨骼驅動系統提供的力矩將先通過機械系統，再到綁縛系統傳遞至人體相關部位，在此過程中的被助力部位會產生應力集中區(qū)域，綁縛系統與肌肉皮膚組織能夠高度耦合的原因依賴于人體的柔性肌肉脂肪組織，耦合度也與綁縛部位肌肉柔性物質的力學性能相關，在腰部外骨骼的助力過程中，由于脊柱處肌肉柔性組織薄，頻繁起重的工作任務將使腰椎區(qū)段承受動態(tài)沖擊載荷，長時間使用反而會對穿戴者造成額外負擔。為解決上述提到的相關問題，可以考慮在人體受動態(tài)反作用力集中的綁縛部位增加綁縛構件內側柔性層厚度，或選用減壓性能好的內層填充材料，如圖3。

（二）綁縛部位：綁縛部位是外骨骼和人體固定匹配所選取的需要包覆的身體部位，外骨骼綁縛系統與人體往往采用多點接觸方式以防止外骨骼與人體之間發(fā)生相對位置變動。按照外骨骼所對應的人體穿戴位置，通常可分為上肢外骨骼、下肢外骨骼、腰部外骨骼以及運動關節(jié)外骨骼等。不同類型的外骨骼需要綁縛的部位不同，但選擇準確的綁縛部位是所有外骨骼系統實現高度人機耦合的基礎。不恰當的綁縛部位不僅會對人機協調運動產生影響，甚至會對接觸部位組織造成疼痛和傷害。

綁縛部位的選取原則是：在實現穿戴者和外骨骼固定與匹配的基礎上，選擇人體承力基礎較好的非神經敏感部位。人機穩(wěn)定性是綁縛部位選取的前提，綁縛點位不足會帶來外骨骼系統在助力過程中的攢動問題，由此引起的強烈不適配感會導致穿戴者心理對外骨骼產生排異，由攢動帶來的關節(jié)位置偏差還會產生關節(jié)剪切應力。

另外，要注意避免一些不宜進行綁縛的部位，并選擇疼痛閾值較高的區(qū)域。綁縛系統在人體上肢和下肢應該避免選擇的部位主要包括關節(jié)運動部位、骨頭較多或凸起的部位、表面毛細血管或神經較為密集的部位、易損傷或較為脆弱的部位和皮膚表層的肌腱部位等[8]，如圖4。

疼痛是由超壓引起的損傷的預警信號，同時也是潛在細胞損傷和死亡的預警。疼痛閾值作為一個比較身體不同部位對壓力的相對敏感度的指標，是當某部位開始感疼痛時的壓強值，可以通過探針測試的方法獲得。盡管不同穿戴者對于相同部位的疼痛感臨界值存在差異，在確定外骨骼系統對應的綁縛點部位后，可運用統計學原理選取中位數作為一般結果確定該區(qū)域內不同部位的疼痛閾值，并盡可能選擇疼痛閾值較高的區(qū)域。

（三）綁縛時間：綁縛時間是指從穿戴者完成外骨骼的穿戴及調節(jié)到將外骨骼完全脫卸這一過程所花費的時間。根據外骨骼系統的不同用途以及實現不同功能，可以將其分為肌體增強型外骨骼、醫(yī)療康復型外骨骼、運動輔助外骨骼等。因其不同功能對應的目標人群有顯著差異，如肌體增強型外骨骼通常用于軍隊士兵，醫(yī)療康復型外骨骼通常用于疾病或殘障人士，而運動輔助型外骨骼通常用于物流搬運從業(yè)者。依據對應人群不同的生理特征及健康情況，合理規(guī)劃綁縛時間有助于避免因長時間穿戴外骨骼造成綁縛部位皮膚表層的傷害。

穿戴者在使用外骨骼助力時應有時間限制，由于綁縛部位常常處于受壓狀態(tài)而影響血液循環(huán)，長時間的局部組織持續(xù)受壓甚至可能導致壓瘡等健康問題。壓瘡是皮膚局部受壓使血液循環(huán)障礙而引起不同程度的皮膚及皮下組織缺血性損傷，通常由持續(xù)反復受壓、潮濕和剪力或摩擦力的因素造成[9]。在由綁縛構件所構成的局部微環(huán)境內，表層皮膚持續(xù)受壓、悶濕、受關節(jié)剪切應力等問題都有可能發(fā)生，從而導致上述隱患。通過相關研究對于壓迫時間與壓瘡發(fā)生關系可知[10]，針對穿戴者自身情況設置安全的綁縛時間范圍至關重要。

（四）綁縛材料：綁縛系統的材料選擇是設計過程中最為重要的環(huán)節(jié)之一，通常將其使用的材料分為剛性材料與柔性材料兩大類別。

剛性材料一般用于下肢綁縛中的腿部硬質半圓擋板，在有效傳遞力矩的基礎上起到支撐與保護的作用。對于其材料的選擇上，需滿足無腐蝕性、無毒、無害等基本要求，還應考慮散熱性能、抗輻射能力以及絕緣性能等。在材料的成型工藝上，為避免材質對腿部肌肉產生磨損，應保證邊緣無金屬尖點并加工不小于3mm的圓弧倒角。

柔性材料和人體產生直接接觸，由柔性織物引起的觸感會影響到人體穿戴外骨骼的體感。應用于外骨骼綁縛系統的柔性材料需滿足親膚、無刺激、質地溫和等基本要求，同時還需考慮織物的透氣性、透濕性以及摩擦系數等。

（五）快速脫卸：快速脫卸是指在外骨骼出現安全問題時可以快速通過解除綁縛使外骨骼從人體身上脫離。外骨骼人機智能系統與其他的自動化系統一樣，都存在隨時發(fā)生故障的可能性，除了從核心系統本身對其進行預測、防范及處理，還應考慮通過綁縛系統的相關設計使其在緊急狀況下快速響應。如當電池出現過熱的情況時，可以考慮通過按壓肩帶連接插扣使搭載電池部件的背負系統快速脫離人體。

外骨骼與穿戴者產生意外碰撞的沖擊力也是對其造成傷害的主要來源之一，在機械結構層面，確保運動構件足夠剛度的和強度的前提下采取小質量和小慣性的構件和設定安全限位裝置都可以有效地提高安全性。同時在綁縛系統層面，其除了保證穩(wěn)定的穿戴特征，也必須需有快速脫卸的能力。由于穿戴者對于意外具有一定主觀預判的能力，方便、快捷、靈活地脫卸外骨骼可以預防相關安全問題的產生。

三、舒適性設計探究

可穿戴式外骨骼系統的舒適性是指人在穿戴外骨骼進行協同運動時心理和生理上的一種主觀愉悅和放松的綜合感受，與周圍的環(huán)境也存在密切關系[11]。人體在穿戴外骨骼機器人后會首先感受到來自綁縛系統材料的觸感，在運動過程中綁縛系統構件將會與人體形成相互作用力，一段時間后會產生肌肉疲勞感。這些感覺由生理刺激信號產生經皮膚表面的神經末梢傳遞到神經系統。在此過程中的周圍環(huán)境、綁縛系統等物理信號被轉化為生理信號體現在穿戴者肌電信號、腦電信號、神經興奮度以及心率上，大腦接收到這些生理信號后，對其進行處理形成一個整體的認知判斷，和以往的身體生理狀態(tài)對比而產生一個舒適度的主觀評估，即綜合的舒適度判斷。外骨骼綁縛系統對生理舒適度評估的影響主要來自于綁縛時的接觸壓力分布與柔性層織物觸感，同時幾何尺寸的適配性和操作的便易性也會影響到心理舒適度的判斷。

（一）壓力分布：在綁縛系統的安全性設計策略中綁縛壓力大小關系到穿戴者的安全，而人機系統的舒適性也同樣與綁縛壓力緊密相關，其主要體現在綁縛系統對于穿戴者的接觸壓力分布上。由于個體感知的差異性，建立精準的接觸壓力分布與人機舒適性之間的定量描述方法比較困難，且表皮壓力感受器對于壓力刺激的反應并不取決與當下所施加的壓力，而取決于整個施加壓力的動態(tài)過程[12]。人體穿戴外骨骼的舒適程度是綁縛系統接觸壓力和接觸面積共同作用的結果，壓力過小會引起綁縛滑脫，不僅會造成穿戴不適，還會在綁縛部位產生扭矩影響助力效果。而壓力過大又容易引起人體疲勞甚至造成安全問題。上文提到適度的綁縛壓力對人機的協同運動具有積極影響，合理地利用綁縛壓力可以滿足穿戴舒適性需求。

壓力舒適性是人體在受綁縛構件束縛或運動時所受的反作用力對人體產生動態(tài)力學刺激從而獲取的舒適感，研究發(fā)現著裝感到舒適的壓力范圍一般在1.96～3.92kPa[13]。此外，當著裝壓力保持在3.92kPa以內時，著裝不會引起人體的生理不適[14]。由于綁縛的部位通常在四肢或腰背部，相關研究表明在在一般情況下前臂、小腿和腰部的壓力舒適范圍在0.49～2.6kPa，在進行劇烈運動時的舒適壓力要比一般情況下高1.96kPa[15]。上述基于舒適閾值的研究建立在穿著緊身服裝之上，對同樣以柔性層施以壓迫感與束縛感的綁縛系統也具有參考意義。

接觸面積是綁縛系統中的柔性層與肢體表面接觸的空間大小，在施以適度綁縛壓力的前提下，適當增加綁縛系統與人體的接觸面積有助于提升穿戴的舒適性。但引起人體感覺不適的程度和綁縛系統接觸面積存在“U形關系”，根據空間整合理論，隨著壓力接觸面積的增加，表皮壓力感知器的數目也隨之增加，最終舒適感反而會變差[16]。另外，當壓力大小超過一定范圍時，集中區(qū)域的高壓可能比較大區(qū)域的中等壓力造成的不適感更少。在具體選擇最佳綁縛面積范圍時，需考慮外骨骼的功能類型與運動情況，結合綁縛部位肌肉壓迫量通過對比實驗得出。

（二）織物觸感：織物觸感是指人體皮膚在受到外加織物或服飾作用時的一種生理感覺，具有被動性和不可回避性。外骨骼綁縛系統穿戴在人體衣物外側或直接與人體皮膚表面發(fā)生接觸，引起的觸感將會直接影響穿戴的舒適性。穿戴者由綁縛織物接觸產生的不適感主要包括刺痛感、悶濕感、壓迫感、束縛感與滑脫感。其中刺痛感是織物上的毛羽或硬、尖物對皮膚的作用以及人體對織物上的化學物質乃至纖維本身的過敏反應，其產生除了取決于面料纖維的特性，還和紡織工藝緊密相關。壓迫感與束縛感主要來源于施加的綁縛壓力，同時也與面料本身的拉伸性能相關。悶濕感是含有汗液的織物與皮膚間的黏澀以及汗液蒸發(fā)時與皮膚接觸的濕冷感，與面料的透氣性和透濕性相關。而滑脫感是肢體運動過程中肌肉形狀與位置發(fā)生變化時織物與人體發(fā)生相對滑動造成綁縛松動，與綁縛壓力大小以及面料的摩擦性能有關。

在綁縛面料的選取上，通常選用棉綸、滌綸、氨綸等具有良好伸縮性、耐磨性的彈性纖維材料。拉伸性能較差的面料很難適應凈助力過程中肌肉形狀的變化，會導致綁縛部位強烈的擠壓感。目前市面上可供選用的材料一般為上述面料由不同紡織工藝制成的混紡織布，如平紋滌棉織物等，應根據其面料成分所決定的拉伸性能、伸長率、塑形變形率應用于不同的綁縛層與綁縛部位上。

透氣性指織物透過空氣的能力，織物只有具備良好的透氣性才可以把人體釋放的熱量和水汽快速向外散發(fā)。織物規(guī)格參數中對于透氣率影響最大的因素分別是緯紗線密度和緯密，前者與透氣性呈正相關而后者與透氣性呈負相關[17]。透濕性指織物透過水汽的能力，因人在使用外骨骼過程中會排汗散發(fā)一定水分，通過綁縛構件的散濕對降低人體皮膚表面濕度非常重要。織物規(guī)格參數中對于透濕率影響較大的因素分別是纖維回潮率與織物厚度，前者與透濕性呈正相關而后者與透濕性呈負相關[17]。

綁縛系統的面料摩擦性能是指人體與綁縛構件之間發(fā)生相對運動或有相對運動趨勢時時，面料接觸面上產生的阻礙相對運動的力的大小。選用不同的面料所對應的摩擦性能也不同，它是由織物本身的摩擦機理所決定的，影響面料的摩擦因素很多，如纖維的形狀、紗線的捻度、形態(tài)特點、組織結構、處理工藝等[18]。在外骨骼綁縛系統中與人體主要發(fā)生連接的構件有：肩帶、腰封與四肢綁帶。可考慮在綁縛構件內側選用摩擦系數較大的面料作為與人體直接接觸面，如三明治網、網狀復合面料和起絨布等，這些材料不僅在一定程度上可以抑制外骨骼與人體之間的相對運動，且具有良好的親膚性與透氣性，如圖5。

（三）適配性：適配性是指外骨骼綁縛系統設計要能適應穿戴者的幾何尺寸。在進行綁縛構件的設計時應充分考慮穿戴者在助力過程中的姿態(tài)調整與動作特征，并允許在一定范圍內根據穿戴者自身的體形調節(jié)綁縛尺寸，以滿足不同穿戴者的要求。

（四）綁縛穿脫：在有源外骨骼的穿脫流程中，綁縛構件操作的便捷性同樣對外骨骼舒適度主觀評估具有影響。穿戴者需首先穿著主要承重部位綁縛構件，再依次根據相關順序穿戴好相關綁縛構件并對各綁縛部位進行舒適性調整。在脫卸時，一般按照穿戴外骨骼的逆順序，最后在各構件無干涉情況下將外骨骼平穩(wěn)脫下。整個穿脫過程需滿足穿戴簡便、綁縛準確、穿著舒適、脫卸輕松等基本操作要求，同時為了保證穿戴的高效性，需精簡綁縛構件結構，保證其有一定的伸縮空間，且綁縛連接件需滿足扣合輕松，長度調節(jié)簡便等要求。

在綁縛構件固定方式的選取上，一般采用插扣、粘扣、檔扣和芭扣等，僅插扣來看又可分為磁紐插扣、強力插扣、單拉插扣以及X形插扣等。不同的構件材質不同，連接強度與韌性也存在差別。在四肢綁縛的連接件上通常選取尼龍粘扣，既符合操作簡單的要求也便于穿戴者進行調節(jié)。在腰部及背部需要承力較大的連接件通常選取插扣或檔口，耐用結實的基礎上同時操作方便快捷。在足部的連接件的選取上，可考慮使用芭扣，調整帶上有棘輪形狀的條形槽可以調節(jié)綁縛松緊，不僅牢固性能好，且不易磨損，如圖6。

結論

可穿戴助力外骨骼是典型的人機耦合系統，其中外骨骼綁縛系統作為連接人與外骨骼的物理交互界面，需具備穿戴安全性與舒適性兩大基本要求。外骨骼綁縛系統的設計不僅關系到系統的物理支撐，同時也是系統性能評價的關鍵指標之一。因此為了確保在人機協同運動中穿戴者的安全，綁縛系統設計應從控制綁縛壓力、選取綁縛部位、規(guī)劃綁縛時間、避免使用有害材料和故障狀態(tài)下的快速脫卸多環(huán)節(jié)建立安全規(guī)范，減少系統的安全隱患。與此同時，為提升穿戴者在使用外骨骼過程中的舒適性，還應在合理分布壓力、選擇織物材料、適應人體尺寸、便易綁縛操作環(huán)節(jié)對綁縛系統進行優(yōu)化。

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