学研探索
134摘要：为提升有源外骨骼机器人作为人机系统的可穿戴性，从绑缚系统角度展开探究，以其安全性与舒适性为切入点，在此基础上构建了有源外骨骼绑缚系统的系统性概念与设计优化方向，得到了针对绑缚压力、绑缚部位、绑缚时间、绑缚材料、快速脱卸5个安全性设计策略和针对压力分布、织物触感、适配性和绑缚穿脱4个舒适性设计策略。 关键词：有源外骨骼 绑缚系统 人机耦合 安全性设计 舒适性设计中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1003-0069（2020）09-0134-03
Abstract：
In order to improve the wearability of the active exoskeleton robot as a 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 ，5 safety design strategies for binding pressure ，binding position ，binding time ，binding material ，quick release and 4 comfort design strategies for pressure distribution ，fabric touch ，fit ，and tie-in and take-off were obtained.
Keywords：
Active exoskeleton Binding system Man-machine coupling Safety design; Comfort design
四川大学机械工程学院 明子微 干 静 罗文雪 王名祺
引言
外骨骼是一种可穿戴的机电智能系统，可跟随穿戴者的动作获取运动信息或者通过外骨骼自身动力装置起到增强穿戴者身体机能的作用 [1] 。由于高额的工伤成本、加速的老龄化社会进程和日益增长的单兵作战能力需求等客观现实，有源助力外骨骼在物流仓储、医疗康复、现代军事等领域都有着非常广泛的应用前景与市场，在众多领域为穿戴者提供负重支撑和运动辅助的外骨骼已成为近年来国内外机器人研究的热点。
有源助力外骨骼作为一种可穿戴的高度人机一体化设备系统，包括运动意图识别、驱动助力、控制操作或装配连接等功能在内都需通过与人体直接产生物理接触的方式实现。作为外骨骼的重要组成部分，绑缚系统不仅负责外骨骼与人体的连接与固定，还是外骨骼系统中承担人机交互的物理界面。因在外骨骼的使用过程中需要人体持续穿戴进行操作，所以从可穿戴性的角度关注人机之间的接触状态和交互体验尤为重要，这也是外骨骼性能评价的关键指标之一。近年以来，有源外骨骼在机械结构、
机电一体化和控制策略等方面均已取得了一定的研究成果，但以绑缚系统为主要研究内容的人机交互体验方面研究还相对较少。
宾汉姆本文在参考研读目前世界各国大量相关学术论文及自身对于绑缚系统设计经验的基础上，对外骨骼绑缚系统的可穿戴性展开探究，分别从安全性与舒适性的角度出发，提出了相关设计策略以期降低外骨骼在助力过程中的安全隐患，并提升了穿戴者的使用舒适感。一、绑缚系统简介
陈乃珊有源助力外骨骼从技术路径层面一般分为传感系统、控制系统和驱动系统三大核心系统，传感系统收集运动相关的信号传递给控制系统，控制系统处理传递来的信号转化为运动指令再传递到驱动系统，最终由
驱动系统带动外骨骼的助力行为[2]
。从结构支撑层面外骨骼可分为机械系统和绑缚系统，其中机械系统是由背板、腰架或腿部杆件等力传递结构件构成的外骨骼刚性骨架。绑缚系统则是由作用在肢体、腰部或背部等用于实现人机匹配和协同运动的包覆件所构成的柔性支撑。作为穿戴
福建省公务员应急管理网络培训平台有源外骨骼绑缚系统安全性与舒适性设计探究
SAFETY AND COMFORT DESIGN OF ACTIVE EXOSKELETON BINDING SYSTEM
者与外骨骼刚性结构之间的物理接触界面，绑缚系统也是人体与外骨骼
回首黄土地>售检票系统之间运动及力反馈等信息传递的重要渠道。人机之间的高度耦合和人机随动通过绑缚系统实现，其设计除需满足基本穿戴要求与人机联动性等功能外，还期望有助于减缓穿戴疲劳感、增加操作持久力并为穿戴者营造良好的生理与心理感受，如图1。
外骨骼与人体连接的形式并非统一，不同的绑缚形式除在人体感知
层面存在差异外，对于人机构成的整体物理系统耦合性也有很大影响。目前较为常见的绑缚形式为绑带固连与刚柔耦合的柔顺人机连接：绑带固连是将柔性绑带通过尼龙粘扣等形式直接与四肢及其他部位连接以达到固定外骨骼的目的，由于纯柔性材料在助力过程对力的吸收以及人机之间难以避免的关节对准误差，绑带固接的形式将在绑缚部位产生较大约束力，因此多用于实验室样机阶段。刚柔耦合的柔顺人机连接采取刚性构件作为绑缚系统特定部位的外包覆件使力矩的传递效率更高，在刚性构件内侧嵌套柔性构件与人体直接接触并进行连接，在确保人机随动协调的前提下，在压力缓冲和体感舒适等方面对于穿戴舒适性与个体适应性具有积极影响。除上述常见的绑缚形式外也有一些较为特殊的绑缚形式，如日本研究学者Hasegawa 为提高穿戴的舒适性与可操作性，采用空气气垫实现人体和外骨骼之间的耦合，通过控制气垫充放气体而改变耦合强度从而保证穿戴时的刚度和脱卸外骨骼时所需要的低连接强度[3] 。Hasegawa 还提出了另一种新型夹具的绑缚形式提高了手部抓握外骨骼的可穿戴性，由于该夹具具有重量轻和外形薄等优势，在人机耦合
溴化锂机组稳定的基础上对于手指本身的运动不会产生妨碍[4]
，如图2。二、安全性设计探究
外骨骼绑缚系统的安全性是指在穿戴外骨骼完成既定功能过程中不发生意外的能力，它表明系统在预期的使用环境和使用限制下绑缚系统实现人机匹配稳定的性能。外骨骼绑缚系统可能对穿戴者造成的伤害通常情况下来自于表皮压力过大与运动冲突，导致产生皮肤损伤、肢体干涉、重心不稳等问题。
（一）绑缚压力：绑缚压力是指人体穿戴外骨骼时垂直作用于人体表面，单位面积内受到的作用力。外骨骼的绑缚系统往往通过压迫人体表皮的软组织以增加人机匹配稳定性和提高接触刚度，由此提升外骨骼与
人体之间的交互接触力传递效率[5]
。适度的绑缚压力对人机的协同运动具有积极影响，运动过程中的适度压力能刺激人体神经兴奋达到提高运动能力的效果。但过度的绑缚压力会造成人体损伤，比如当人皮肤表面承受的压力大于30mmHg 时，会导致表面毛细血管血液不流通，危及软组
织的安全[6]
。
由于外骨骼使用时间较长，将整个使用过程中绑缚系统产生的动态压力控制在安全范围内至关重要。
图1
外骨骼系统组成及与人体关联图
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