有源外骨骼綁縛系統(tǒng)安全性與舒適性設(shè)計(jì)探究

明子微 干靜 羅文雪 王名祺

摘要：為提升有源外骨骼機(jī)器人作為人機(jī)系統(tǒng)的可穿戴性，從綁縛系統(tǒng)角度展開探究，以其安全性與舒適性為切入點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了有源外骨骼綁縛系統(tǒng)的系統(tǒng)性概念與設(shè)計(jì)優(yōu)化方向，得到了針對(duì)綁縛壓力、綁縛部位、綁縛時(shí)間、綁縛材料、快速脫卸5個(gè)安全性設(shè)計(jì)策略和針對(duì)壓力分布、織物觸感、適配性和綁縛穿脫4個(gè)舒適性設(shè)計(jì)策略。

關(guān)鍵詞：有源外骨骼;綁縛系統(tǒng);人機(jī)耦合;安全性設(shè)計(jì);舒適性設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：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(jī)電智能系統(tǒng)，可跟隨穿戴者的動(dòng)作獲取運(yùn)動(dòng)信息或者通過(guò)外骨骼自身動(dòng)力裝置起到增強(qiáng)穿戴者身體機(jī)能的作用[1]。由于高額的工傷成本、加速的老齡化社會(huì)進(jìn)程和日益增長(zhǎng)的單兵作戰(zhàn)能力需求等客觀現(xiàn)實(shí)，有源助力外骨骼在物流倉(cāng)儲(chǔ)、醫(yī)療康復(fù)、現(xiàn)代軍事等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用前景與市場(chǎng)，在眾多領(lǐng)域?yàn)榇┐髡咛峁┴?fù)重支撐和運(yùn)動(dòng)輔助的外骨骼已成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)外機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。

有源助力外骨骼作為一種可穿戴的高度人機(jī)一體化設(shè)備系統(tǒng)，包括運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別、驅(qū)動(dòng)助力、控制操作或裝配連接等功能在內(nèi)都需通過(guò)與人體直接產(chǎn)生物理接觸的方式實(shí)現(xiàn)。作為外骨骼的重要組成部分，綁縛系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)外骨骼與人體的連接與固定，還是外骨骼系統(tǒng)中承擔(dān)人機(jī)交互的物理界面。因在外骨骼的使用過(guò)程中需要人體持續(xù)穿戴進(jìn)行操作，所以從可穿戴性的角度關(guān)注人機(jī)之間的接觸狀態(tài)和交互體驗(yàn)尤為重要，這也是外骨骼性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。近年以來(lái)，有源外骨骼在機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)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(tǒng)為主要研究?jī)?nèi)容的人機(jī)交互體驗(yàn)方面研究還相對(duì)較少。

本文在參考研讀目前世界各國(guó)大量相關(guān)學(xué)術(shù)論文及自身對(duì)于綁縛系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)外骨骼綁縛系統(tǒng)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(guān)設(shè)計(jì)策略以期降低外骨骼在助力過(guò)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(tǒng)簡(jiǎn)介

有源助力外骨骼從技術(shù)路徑層面一般分為傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三大核心系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)收集運(yùn)動(dòng)相關(guān)的信號(hào)傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)處理傳遞來(lái)的信號(hào)轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)指令再傳遞到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，最終由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)外骨骼的助力行為[2]。從結(jié)構(gòu)支撐層面外骨骼可分為機(jī)械系統(tǒng)和綁縛系統(tǒng)，其中機(jī)械系統(tǒng)是由背板、腰架或腿部桿件等力傳遞結(jié)構(gòu)件構(gòu)成的外骨骼剛性骨架。綁縛系統(tǒng)則是由作用在肢體、腰部或背部等用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)匹配和協(xié)同運(yùn)動(dòng)的包覆件所構(gòu)成的柔性支撐。作為穿戴者與外骨骼剛性結(jié)構(gòu)之間的物理接觸界面，綁縛系統(tǒng)也是人體與外骨骼之間運(yùn)動(dòng)及力反饋等信息傳遞的重要渠道。人機(jī)之間的高度耦合和人機(jī)隨動(dòng)通過(guò)綁縛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)除需滿足基本穿戴要求與人機(jī)聯(lián)動(dòng)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(yíng)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(tǒng)一，不同的綁縛形式除在人體感知層面存在差異外，對(duì)于人機(jī)構(gòu)成的整體物理系統(tǒng)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?cè)狁詈系娜犴樔藱C(jī)連接：綁帶固連是將柔性綁帶通過(guò)尼龍粘扣等形式直接與四肢及其他部位連接以達(dá)到固定外骨骼的目的，由于純?nèi)嵝圆牧显谥^(guò)程對(duì)力的吸收以及人機(jī)之間難以避免的關(guān)節(jié)對(duì)準(zhǔn)誤差，綁帶固接的形式將在綁縛部位產(chǎn)生較大約束力，因此多用于實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段。剛?cè)狁詈系娜犴樔藱C(jī)連接采取剛性構(gòu)件作為綁縛系統(tǒng)特定部位的外包覆件使力矩的傳遞效率更高，在剛性構(gòu)件內(nèi)側(cè)嵌套柔性構(gòu)件與人體直接接觸并進(jìn)行連接，在確保人機(jī)隨動(dòng)協(xié)調(diào)的前提下，在壓力緩沖和體感舒適等方面對(duì)于穿戴舒適性與個(gè)體適應(yīng)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(xué)者Hasegawa為提高穿戴的舒適性與可操作性，采用空氣氣墊實(shí)現(xiàn)人體和外骨骼之間的耦合，通過(guò)控制氣墊充放氣體而改變耦合強(qiáng)度從而保證穿戴時(shí)的剛度和脫卸外骨骼時(shí)所需要的低連接強(qiáng)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(shì)，在人機(jī)耦合穩(wěn)定的基礎(chǔ)上對(duì)于手指本身的運(yùn)動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生妨礙[4]，如圖2。

二、安全性設(shè)計(jì)探究

外骨骼綁縛系統(tǒng)的安全性是指在穿戴外骨骼完成既定功能過(guò)程中不發(fā)生意外的能力，它表明系統(tǒng)在預(yù)期的使用環(huán)境和使用限制下綁縛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人機(jī)匹配穩(wěn)定的性能。外骨骼綁縛系統(tǒng)可能對(duì)穿戴者造成的傷害通常情況下來(lái)自于表皮壓力過(guò)大與運(yùn)動(dòng)沖突，導(dǎo)致產(chǎn)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(shí)垂直作用于人體表面，單位面積內(nèi)受到的作用力。外骨骼的綁縛系統(tǒng)往往通過(guò)壓迫人體表皮的軟組織以增加人機(jī)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(duì)人機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)具有積極影響，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的適度壓力能刺激人體神經(jīng)興奮達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)能力的效果。但過(guò)度的綁縛壓力會(huì)造成人體損傷，比如當(dāng)人皮膚表面承受的壓力大于30mmHg時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表面毛細(xì)血管血液不流通，危及軟組織的安全[6]。由于外骨骼使用時(shí)間較長(zhǎng)，將整個(gè)使用過(guò)程中綁縛系統(tǒng)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)壓力控制在安全范圍內(nèi)至關(guān)重要。

綁縛壓力主要來(lái)源于綁縛系統(tǒng)所承擔(dān)的外骨骼自重、靜態(tài)約束力和動(dòng)態(tài)反作用力。

外骨骼本身重量對(duì)身體造成的壓力主要體現(xiàn)在穿戴者的肩部與腰部綁縛構(gòu)件。除了對(duì)外骨骼整體系統(tǒng)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)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(qiáng)，如在特定部位運(yùn)用氣囊結(jié)構(gòu)的綁縛材料，在外骨骼使用過(guò)程中其內(nèi)部氣體互相流動(dòng)，產(chǎn)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(gòu)件束縛人體所造成的壓力，簡(jiǎn)稱束縛壓，通常體現(xiàn)在穿戴者的四肢綁縛構(gòu)件?？刂剖`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(dòng)態(tài)反作用力是外骨骼在助力過(guò)程中綁縛構(gòu)件為適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)變化而引起的變形，產(chǎn)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(yīng)力，簡(jiǎn)稱面壓[7]。由于外骨骼驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供的力矩將先通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)，再到綁縛系統(tǒng)傳遞至人體相關(guān)部位，在此過(guò)程中的被助力部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中區(qū)域，綁縛系統(tǒng)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(zhì)的力學(xué)性能相關(guān)，在腰部外骨骼的助力過(guò)程中，由于脊柱處肌肉柔性組織薄，頻繁起重的工作任務(wù)將使腰椎區(qū)段承受動(dòng)態(tài)沖擊載荷，長(zhǎng)時(shí)間使用反而會(huì)對(duì)穿戴者造成額外負(fù)擔(dān)。為解決上述提到的相關(guān)問題，可以考慮在人體受動(dòng)態(tài)反作用力集中的綁縛部位增加綁縛構(gòu)件內(nèi)側(cè)柔性層厚度，或選用減壓性能好的內(nèi)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(tǒng)與人體往往采用多點(diǎn)接觸方式以防止外骨骼與人體之間發(fā)生相對(duì)位置變動(dòng)。按照外骨骼所對(duì)應(yīng)的人體穿戴位置，通?？煞譃樯现夤趋?、下肢外骨骼、腰部外骨骼以及運(yùn)動(dòng)關(guān)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(zhǔn)確的綁縛部位是所有外骨骼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高度人機(jī)耦合的基礎(chǔ)。不恰當(dāng)?shù)慕壙`部位不僅會(huì)對(duì)人機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，甚至?xí)?duì)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(shí)現(xiàn)穿戴者和外骨骼固定與匹配的基礎(chǔ)上，選擇人體承力基礎(chǔ)較好的非神經(jīng)敏感部位。人機(jī)穩(wěn)定性是綁縛部位選取的前提，綁縛點(diǎn)位不足會(huì)帶來(lái)外骨骼系統(tǒng)在助力過(guò)程中的攢動(dòng)問題，由此引起的強(qiáng)烈不適配感會(huì)導(dǎo)致穿戴者心理對(duì)外骨骼產(chǎn)生排異，由攢動(dòng)帶來(lái)的關(guān)節(jié)位置偏差還會(huì)產(chǎn)生關(guān)節(jié)剪切應(yīng)力。

另外，要注意避免一些不宜進(jìn)行綁縛的部位，并選擇疼痛閾值較高的區(qū)域。綁縛系統(tǒng)在人體上肢和下肢應(yīng)該避免選擇的部位主要包括關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)部位、骨頭較多或凸起的部位、表面毛細(xì)血管或神經(jīng)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(yù)警信號(hào)，同時(shí)也是潛在細(xì)胞損傷和死亡的預(yù)警。疼痛閾值作為一個(gè)比較身體不同部位對(duì)壓力的相對(duì)敏感度的指標(biāo)，是當(dāng)某部位開始感疼痛時(shí)的壓強(qiáng)值，可以通過(guò)探針測(cè)試的方法獲得。盡管不同穿戴者對(duì)于相同部位的疼痛感臨界值存在差異，在確定外骨骼系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的綁縛點(diǎn)部位后，可運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理選取中位數(shù)作為一般結(jié)果確定該區(qū)域內(nèi)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(shí)間：綁縛時(shí)間是指從穿戴者完成外骨骼的穿戴及調(diào)節(jié)到將外骨骼完全脫卸這一過(guò)程所花費(fèi)的時(shí)間。根據(jù)外骨骼系統(tǒng)的不同用途以及實(shí)現(xiàn)不同功能，可以將其分為肌體增強(qiáng)型外骨骼、醫(yī)療康復(fù)型外骨骼、運(yùn)動(dòng)輔助外骨骼等。因其不同功能對(duì)應(yīng)的目標(biāo)人群有顯著差異，如肌體增強(qiáng)型外骨骼通常用于軍隊(duì)士兵，醫(yī)療康復(fù)型外骨骼通常用于疾病或殘障人士，而運(yùn)動(dòng)輔助型外骨骼通常用于物流搬運(yùn)從業(yè)者。依據(jù)對(duì)應(yīng)人群不同的生理特征及健康情況，合理規(guī)劃綁縛時(shí)間有助于避免因長(zhǎng)時(shí)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(shí)應(yīng)有時(shí)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(zhǎng)時(shí)間的局部組織持續(xù)受壓甚至可能導(dǎo)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(fù)受壓、潮濕和剪力或摩擦力的因素造成[9]。在由綁縛構(gòu)件所構(gòu)成的局部微環(huán)境內(nèi)，表層皮膚持續(xù)受壓、悶濕、受關(guān)節(jié)剪切應(yīng)力等問題都有可能發(fā)生，從而導(dǎo)致上述隱患。通過(guò)相關(guān)研究對(duì)于壓迫時(shí)間與壓瘡發(fā)生關(guān)系可知[10]，針對(duì)穿戴者自身情況設(shè)置安全的綁縛時(shí)間范圍至關(guān)重要。

（四）綁縛材料：綁縛系統(tǒng)的材料選擇是設(shè)計(jì)過(guò)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(zhì)半圓擋板，在有效傳遞力矩的基礎(chǔ)上起到支撐與保護(hù)的作用。對(duì)于其材料的選擇上，需滿足無(wú)腐蝕性、無(wú)毒、無(wú)害等基本要求，還應(yīng)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(zhì)對(duì)腿部肌肉產(chǎn)生磨損，應(yīng)保證邊緣無(wú)金屬尖點(diǎn)并加工不小于3mm的圓弧倒角。

柔性材料和人體產(chǎn)生直接接觸，由柔性織物引起的觸感會(huì)影響到人體穿戴外骨骼的體感。應(yīng)用于外骨骼綁縛系統(tǒng)的柔性材料需滿足親膚、無(wú)刺激、質(zhì)地溫和等基本要求，同時(shí)還需考慮織物的透氣性、透濕性以及摩擦系數(shù)等。

（五）快速脫卸：快速脫卸是指在外骨骼出現(xiàn)安全問題時(shí)可以快速通過(guò)解除綁縛使外骨骼從人體身上脫離。外骨骼人機(jī)智能系統(tǒng)與其他的自動(dòng)化系統(tǒng)一樣，都存在隨時(shí)發(fā)生故障的可能性，除了從核心系統(tǒng)本身對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)、防范及處理，還應(yīng)考慮通過(guò)綁縛系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)使其在緊急狀況下快速響應(yīng)。如當(dāng)電池出現(xiàn)過(guò)熱的情況時(shí)，可以考慮通過(guò)按壓肩帶連接插扣使搭載電池部件的背負(fù)系統(tǒng)快速脫離人體。

外骨骼與穿戴者產(chǎn)生意外碰撞的沖擊力也是對(duì)其造成傷害的主要來(lái)源之一，在機(jī)械結(jié)構(gòu)層面，確保運(yùn)動(dòng)構(gòu)件足夠剛度的和強(qiáng)度的前提下采取小質(zhì)量和小慣性的構(gòu)件和設(shè)定安全限位裝置都可以有效地提高安全性。同時(shí)在綁縛系統(tǒng)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(duì)于意外具有一定主觀預(yù)判的能力，方便、快捷、靈活地脫卸外骨骼可以預(yù)防相關(guān)安全問題的產(chǎn)生。

三、舒適性設(shè)計(jì)探究

可穿戴式外骨骼系統(tǒng)的舒適性是指人在穿戴外骨骼進(jìn)行協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)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(guān)系[11]。人體在穿戴外骨骼機(jī)器人后會(huì)首先感受到來(lái)自綁縛系統(tǒng)材料的觸感，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中綁縛系統(tǒng)構(gòu)件將會(huì)與人體形成相互作用力，一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生肌肉疲勞感。這些感覺由生理刺激信號(hào)產(chǎn)生經(jīng)皮膚表面的神經(jīng)末梢傳遞到神經(jīng)系統(tǒng)。在此過(guò)程中的周圍環(huán)境、綁縛系統(tǒng)等物理信號(hào)被轉(zhuǎn)化為生理信號(hào)體現(xiàn)在穿戴者肌電信號(hào)、腦電信號(hào)、神經(jīng)興奮度以及心率上，大腦接收到這些生理信號(hào)后，對(duì)其進(jìn)行處理形成一個(gè)整體的認(rèn)知判斷，和以往的身體生理狀態(tài)對(duì)比而產(chǎn)生一個(gè)舒適度的主觀評(píng)估，即綜合的舒適度判斷。外骨骼綁縛系統(tǒng)對(duì)生理舒適度評(píng)估的影響主要來(lái)自于綁縛時(shí)的接觸壓力分布與柔性層織物觸感，同時(shí)幾何尺寸的適配性和操作的便易性也會(huì)影響到心理舒適度的判斷。

（一）壓力分布：在綁縛系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)策略中綁縛壓力大小關(guān)系到穿戴者的安全，而人機(jī)系統(tǒng)的舒適性也同樣與綁縛壓力緊密相關(guān)，其主要體現(xiàn)在綁縛系統(tǒng)對(duì)于穿戴者的接觸壓力分布上。由于個(gè)體感知的差異性，建立精準(zhǔn)的接觸壓力分布與人機(jī)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(duì)于壓力刺激的反應(yīng)并不取決與當(dāng)下所施加的壓力，而取決于整個(gè)施加壓力的動(dòng)態(tài)過(guò)程[12]。人體穿戴外骨骼的舒適程度是綁縛系統(tǒng)接觸壓力和接觸面積共同作用的結(jié)果，壓力過(guò)小會(huì)引起綁縛滑脫，不僅會(huì)造成穿戴不適，還會(huì)在綁縛部位產(chǎn)生扭矩影響助力效果。而壓力過(guò)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(duì)人機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)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(gòu)件束縛或運(yùn)動(dòng)時(shí)所受的反作用力對(duì)人體產(chǎn)生動(dòng)態(tài)力學(xué)刺激從而獲取的舒適感，研究發(fā)現(xiàn)著裝感到舒適的壓力范圍一般在1.96～3.92kPa[13]。此外，當(dāng)著裝壓力保持在3.92kPa以內(nèi)時(shí)，著裝不會(huì)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(guān)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(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)同樣以柔性層施以壓迫感與束縛感的綁縛系統(tǒng)也具有參考意義。

接觸面積是綁縛系統(tǒng)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(dāng)增加綁縛系統(tǒng)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(tǒng)接觸面積存在“U形關(guān)系”，根據(jù)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(shù)目也隨之增加，最終舒適感反而會(huì)變差[16]。另外，當(dāng)壓力大小超過(guò)一定范圍時(shí)，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(shí)，需考慮外骨骼的功能類型與運(yùn)動(dòng)情況，結(jié)合綁縛部位肌肉壓迫量通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(shí)的一種生理感覺，具有被動(dòng)性和不可回避性。外骨骼綁縛系統(tǒng)穿戴在人體衣物外側(cè)或直接與人體皮膚表面發(fā)生接觸，引起的觸感將會(huì)直接影響穿戴的舒適性。穿戴者由綁縛織物接觸產(chǎn)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(duì)皮膚的作用以及人體對(duì)織物上的化學(xué)物質(zhì)乃至纖維本身的過(guò)敏反應(yīng)，其產(chǎn)生除了取決于面料纖維的特性，還和紡織工藝緊密相關(guān)。壓迫感與束縛感主要來(lái)源于施加的綁縛壓力，同時(shí)也與面料本身的拉伸性能相關(guān)。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(shí)與皮膚接觸的濕冷感，與面料的透氣性和透濕性相關(guān)。而滑脫感是肢體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌肉形狀與位置發(fā)生變化時(shí)織物與人體發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)造成綁縛松動(dòng)，與綁縛壓力大小以及面料的摩擦性能有關(guān)。

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(yīng)凈助力過(guò)程中肌肉形狀的變化，會(huì)導(dǎo)致綁縛部位強(qiáng)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(yīng)根據(jù)其面料成分所決定的拉伸性能、伸長(zhǎng)率、塑形變形率應(yīng)用于不同的綁縛層與綁縛部位上。

透氣性指織物透過(guò)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)?？椢镆?guī)格參數(shù)中對(duì)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(guān)而后者與透氣性呈負(fù)相關(guān)[17]。透濕性指織物透過(guò)水汽的能力，因人在使用外骨骼過(guò)程中會(huì)排汗散發(fā)一定水分，通過(guò)綁縛構(gòu)件的散濕對(duì)降低人體皮膚表面濕度非常重要。織物規(guī)格參數(shù)中對(duì)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(guān)而后者與透濕性呈負(fù)相關(guān)[17]。

綁縛系統(tǒng)的面料摩擦性能是指人體與綁縛構(gòu)件之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)或有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)時(shí)，面料接觸面上產(chǎn)生的阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力的大小。選用不同的面料所對(duì)應(yīng)的摩擦性能也不同，它是由織物本身的摩擦機(jī)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(diǎn)、組織結(jié)構(gòu)、處理工藝等[18]。在外骨骼綁縛系統(tǒng)中與人體主要發(fā)生連接的構(gòu)件有：肩帶、腰封與四肢綁帶?？煽紤]在綁縛構(gòu)件內(nèi)側(cè)選用摩擦系數(shù)較大的面料作為與人體直接接觸面，如三明治網(wǎng)、網(wǎng)狀復(fù)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(duì)運(yùn)動(dòng)，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(tǒng)設(shè)計(jì)要能適應(yīng)穿戴者的幾何尺寸。在進(jìn)行綁縛構(gòu)件的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮穿戴者在助力過(guò)程中的姿態(tài)調(diào)整與動(dòng)作特征，并允許在一定范圍內(nèi)根據(jù)穿戴者自身的體形調(diào)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(gòu)件操作的便捷性同樣對(duì)外骨骼舒適度主觀評(píng)估具有影響。穿戴者需首先穿著主要承重部位綁縛構(gòu)件，再依次根據(jù)相關(guān)順序穿戴好相關(guān)綁縛構(gòu)件并對(duì)各綁縛部位進(jìn)行舒適性調(diào)整。在脫卸時(shí)，一般按照穿戴外骨骼的逆順序，最后在各構(gòu)件無(wú)干涉情況下將外骨骼平穩(wěn)脫下。整個(gè)穿脫過(guò)程需滿足穿戴簡(jiǎn)便、綁縛準(zhǔn)確、穿著舒適、脫卸輕松等基本操作要求，同時(shí)為了保證穿戴的高效性，需精簡(jiǎn)綁縛構(gòu)件結(jié)構(gòu)，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(zhǎng)度調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便等要求。

在綁縛構(gòu)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(lái)看又可分為磁紐插扣、強(qiáng)力插扣、單拉插扣以及X形插扣等。不同的構(gòu)件材質(zhì)不同，連接強(qiáng)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(jiǎn)單的要求也便于穿戴者進(jìn)行調(diào)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(jié)實(shí)的基礎(chǔ)上同時(shí)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(diào)整帶上有棘輪形狀的條形槽可以調(diào)節(jié)綁縛松緊，不僅牢固性能好，且不易磨損，如圖6。

結(jié)論

可穿戴助力外骨骼是典型的人機(jī)耦合系統(tǒng)，其中外骨骼綁縛系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的物理支撐，同時(shí)也是系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此為了確保在人機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)中穿戴者的安全，綁縛系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從控制綁縛壓力、選取綁縛部位、規(guī)劃綁縛時(shí)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(tǒng)的安全隱患。與此同時(shí)，為提升穿戴者在使用外骨骼過(guò)程中的舒適性，還應(yīng)在合理分布?jí)毫?、選擇織物材料、適應(yīng)人體尺寸、便易綁縛操作環(huán)節(jié)對(duì)綁縛系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

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