基于紡織材料的柔性外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀

劉月娟，傅宏俊，李樹(shù)鋒，郭 歡，鐘智麗

(1.天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387； 2.國(guó)家康復(fù)輔具研究中心 康復(fù)輔具質(zhì)量檢驗(yàn)中心，北京 100176)

腦卒中疾病是肢體殘疾患者的主要病因，現(xiàn)已成為影響人類壽命與生活質(zhì)量的頭號(hào)殺手[1]，這類患者普遍存在肢體運(yùn)動(dòng)功能障礙，康復(fù)訓(xùn)練是肢體殘疾患者重獲運(yùn)動(dòng)能力的重要途徑[2]。然而傳統(tǒng)的康復(fù)訓(xùn)練對(duì)專業(yè)醫(yī)療人員的依賴性較高，存在工作量大、治療效率低、康復(fù)師不足等問(wèn)題，這導(dǎo)致許多患者錯(cuò)失了最佳康復(fù)治療的機(jī)會(huì)。隨著近十幾年機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，針對(duì)外骨骼康復(fù)機(jī)器人領(lǐng)域的研究逐步深入，外骨骼機(jī)器人能夠幫助肢體殘疾患者進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，替代專業(yè)康復(fù)師的人力看護(hù)，提高康復(fù)訓(xùn)練的效率[3]。除康復(fù)醫(yī)療領(lǐng)域外，外骨骼機(jī)器人在軍事和民用方面也有廣泛的用途，如提高士兵的持久作戰(zhàn)能力，增強(qiáng)工人搬運(yùn)能力等[4]，因此外骨骼機(jī)器人具有很高的研究?jī)r(jià)值。

近年來(lái)，基于外骨骼機(jī)器人需求的研究也越來(lái)越受到重視。然而，現(xiàn)有的外骨骼機(jī)器人綜述大多側(cè)重于驅(qū)動(dòng)和控制，較少?gòu)募徔椃b領(lǐng)域出發(fā)，尤其缺乏紡織材料在外骨骼機(jī)器人中的應(yīng)用。為此，本文在介紹剛?cè)嵝酝夤趋罊C(jī)器人的基礎(chǔ)上，聚焦紡織材料在外骨骼機(jī)器人上的應(yīng)用進(jìn)展以及外骨骼機(jī)器人新型材料的研發(fā)創(chuàng)新，對(duì)柔性外骨骼機(jī)器人所涉及到的紡織關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的綜述與分析，系統(tǒng)地說(shuō)明紡織材料在柔性外骨骼機(jī)器人研制中的不可或缺的作用。

1 外骨骼機(jī)器人簡(jiǎn)介

外骨骼機(jī)器人是一種基于仿生學(xué)原理，通過(guò)模擬人體骨骼特征而設(shè)計(jì)的可穿戴設(shè)備[5]，具有提升人體行走耐久性和協(xié)助人體康復(fù)訓(xùn)練等功能。根據(jù)本體材料的不同，可分為剛性外骨骼機(jī)器人和柔性外骨骼機(jī)器人。目前市場(chǎng)上具有代表性的外骨骼機(jī)器人大都采用剛性結(jié)構(gòu)，如美國(guó)加州大學(xué)的BLEEX系列[6]、日本筑波大學(xué)的HAL系列[7]和瑞士蘇黎世大學(xué)的Lokomat[8]等。剛性外骨骼機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)在于其堅(jiān)固耐用的結(jié)構(gòu)以及力的精確傳輸性，但其質(zhì)量較重、不易穿戴，且其安裝也需要專業(yè)的培訓(xùn)人員，因此國(guó)內(nèi)外對(duì)于外骨骼機(jī)器人的研究熱點(diǎn)也逐漸向具有紡織材料的柔性外骨骼機(jī)器人方向轉(zhuǎn)移[9]。如表1所示，與傳統(tǒng)的剛性外骨骼機(jī)器人相比，柔性外骨骼機(jī)器人擁有更多優(yōu)點(diǎn)[10]，柔性外骨骼機(jī)器人采用柔性材料替換原本的剛性結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量更輕、更靈活，并且舒適性好、助力更加自然，具有較高的研究?jī)r(jià)值。

表1 剛?cè)嵝酝夤趋罊C(jī)器人對(duì)比

2 柔性外骨骼機(jī)器人研究現(xiàn)狀

為了搶占國(guó)際高新技術(shù)的至高點(diǎn)，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注基于紡織材料的柔性外骨骼機(jī)器人技術(shù)，并紛紛建立國(guó)家重點(diǎn)科研機(jī)構(gòu)，如美國(guó)的革命性纖維與織物制造研究以及德國(guó)的“未來(lái)紡織”研究計(jì)劃[11]。據(jù)《中國(guó)制造2025》顯示，我國(guó)將大力推進(jìn)智能醫(yī)用及工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[12]，這表明我國(guó)的可穿戴機(jī)器人技術(shù)也受到了高度重視。由于柔性外骨骼機(jī)器人自身所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)以及廣闊的應(yīng)用空間，對(duì)柔性可穿戴外骨骼機(jī)器人的研究成為了當(dāng)前外骨骼機(jī)器人研究的重點(diǎn)方向[13]。

2.1 繩驅(qū)動(dòng)

繩驅(qū)動(dòng)即采用鮑登線等線狀或帶狀柔性結(jié)構(gòu)，通過(guò)收縮線距傳遞拉力進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，是柔性外骨骼機(jī)器人最為常見(jiàn)的一種驅(qū)動(dòng)形式。

作為柔性外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域的領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì)，哈佛大學(xué)Wyss實(shí)驗(yàn)室在2014年設(shè)計(jì)了一款多關(guān)節(jié)柔性外骨骼機(jī)器人[14]，如圖1(a)所示。該裝置由電動(dòng)機(jī)和鮑登線驅(qū)動(dòng)，綁縛系統(tǒng)采用舒適性好的彈性紡織品作為綁縛帶，使套裝在沒(méi)有被電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況下，也能通過(guò)彈性紡織帶進(jìn)行助力。2015年，該團(tuán)隊(duì)研制了一套輔助髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的便攜式柔性外骨骼機(jī)器人[15]，如圖1(b)所示。這套柔性外骨骼機(jī)器人的特點(diǎn)是采用織帶作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將織帶纏繞在電動(dòng)機(jī)的線輪上以拉動(dòng)下肢運(yùn)動(dòng)，織帶可以為大腿提供高達(dá)150 N的力，有利于髖關(guān)節(jié)伸展。

圖1 哈佛大學(xué)的繩驅(qū)動(dòng)柔性外骨骼機(jī)器人

2015年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一款柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)[16]，該系統(tǒng)可幫助下肢殘疾患者恢復(fù)行走能力，如圖2(a)所示。研究人員使用錦綸及其他材質(zhì)的織帶連接髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，并使用傳感器和鮑登線分別作為監(jiān)測(cè)器和執(zhí)行器，驗(yàn)證了利用關(guān)節(jié)協(xié)同作用的多關(guān)節(jié)防護(hù)服可用于腿部功能的康復(fù)。2017年，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一款基于紡織品的新版柔性下肢外骨骼機(jī)器人Myosuit[17]，如圖2(b)所示，Myosuit 的質(zhì)量為4.09 kg，可續(xù)航4 h，整體采用3層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即服裝層、韌帶層和力量層。該裝置類似于一條褲子，腰帶和大腿袖口均由非彈性錦綸織物制成，由多層聚酰胺和錦綸/滌綸層壓板加固，可用于調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)周?chē)牧?，使柔性外骨骼機(jī)器人在沒(méi)有剛性框架的情況下依然可以保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

圖2 瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的柔性外骨骼機(jī)器人

2017年，中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的吳新宇團(tuán)隊(duì)采用紡織材料設(shè)計(jì)了一款基于柔性傳動(dòng)的全身型助力外骨骼機(jī)器人服[18]，如圖3所示。這款柔性外骨骼機(jī)器人的質(zhì)量約4 kg，具有10個(gè)自由度，采用鋼絲繩作為柔性傳輸介質(zhì)，研究人員還為這款外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)了部分被動(dòng)關(guān)節(jié)，提出了一種僅使用關(guān)節(jié)角度傳感器、足底壓力傳感器和傾斜傳感器的全身外骨骼機(jī)器人步態(tài)相位識(shí)別新方法，通過(guò)進(jìn)行平地行走、上下坡以及搬運(yùn)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了該系統(tǒng)具有良好的助力效果。

圖3 中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的柔性外骨骼機(jī)器人

2021年，北京工業(yè)大學(xué)李劍鋒團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一款穿戴式柔性下肢外骨骼機(jī)器人助力服[19]，如圖4所示。研究人員在研制織物外衣的基礎(chǔ)上，對(duì)助力系統(tǒng)的控制與步態(tài)預(yù)測(cè)進(jìn)行了詳細(xì)研究。表面采用彈性面料以提高助力外衣的穿戴舒適性，同時(shí)，外衣上設(shè)計(jì)了韌性較強(qiáng)的開(kāi)口環(huán)包裹于外側(cè)，開(kāi)口環(huán)采用錦綸材質(zhì)，并用魔術(shù)貼收緊固定于腿部和腰部。該系統(tǒng)具有良好的穿戴舒適性，符合功能外衣的設(shè)計(jì)要求。

根據(jù)《膝關(guān)節(jié)功能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[3]中的相關(guān)內(nèi)容對(duì)兩組的康復(fù)效果進(jìn)行評(píng)估：（1）優(yōu)：，關(guān)節(jié)活動(dòng)度超過(guò)100°。（2）良：關(guān)節(jié)活動(dòng)度為81°～100°。（3）中：關(guān)節(jié)活動(dòng)度為51°～80°。（4）差：關(guān)節(jié)活動(dòng)度小于50°。

圖4 北京工業(yè)大學(xué)的柔性外骨骼機(jī)器人

除此之外，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款膝關(guān)節(jié)柔性外骨骼機(jī)器人助力服[20]，用于克服老年人或殘疾人因身體虛弱帶來(lái)的不便，它由柔性紡織材料制成的連接布帶組成，通過(guò)電動(dòng)機(jī)牽引鋼絲繩，將輔助力沿助力服傳遞至膝關(guān)節(jié)。澳大利亞國(guó)防部制備了一款軍用被動(dòng)柔性外骨骼機(jī)器人OX[21]，該裝置由紡織材料和2條鮑登線組成，制作成本低，質(zhì)量小于3 kg，可將士兵2/3的負(fù)荷分散轉(zhuǎn)移，從而減輕士兵負(fù)重。天津工業(yè)大學(xué)王子帥等[22-23]設(shè)計(jì)了一款柔性可穿戴助力行走外骨骼機(jī)器人，創(chuàng)新性地提出選用一種由3層織物組成的潛水料作為服裝的主體面料，通過(guò)對(duì)3種潛水料的性能進(jìn)行測(cè)試，得出一種由丁苯橡膠和氯丁橡膠混合制成的潛水料(SCR)，其更適合作為柔性外骨骼機(jī)器人服裝的非直接受力面料。此外，還有歐盟的XoSoft研究計(jì)劃、哥倫比亞大學(xué)的C-ALEX、麻省理工學(xué)院的踝關(guān)節(jié)助力外骨骼機(jī)器人、日本松下電器的交叉線助力服[24-25]等相關(guān)外骨骼機(jī)器人產(chǎn)品的研究。

繩驅(qū)動(dòng)作為柔性外骨骼機(jī)器人的主流驅(qū)動(dòng)方式，多采用鮑登線通過(guò)收縮線距模擬肌肉運(yùn)動(dòng)以施加輔助力，具有柔性強(qiáng)、體積小、便攜性好等優(yōu)點(diǎn)。鮑登線由線管(外鞘)和鋼絲繩組成，可以進(jìn)行較大程度的準(zhǔn)柔性彎折，方便實(shí)現(xiàn)助力載荷的遠(yuǎn)程傳遞，因此被很多柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)所采用，其缺點(diǎn)在于：鋼絲繩和線管之間摩擦所產(chǎn)生的力學(xué)損耗較大，布線彎折較多時(shí)尤其明顯；整體質(zhì)量較重，不利于柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的輕量化；鋼絲繩、塑料外鞘等的特性決定了撓性結(jié)構(gòu)較大，穿戴、行走舒適性欠佳。因此，選用優(yōu)化的柔性材料與結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人更為舒適、有效的驅(qū)動(dòng)力傳遞是目前繩驅(qū)動(dòng)柔性外骨骼機(jī)器人研究的關(guān)鍵問(wèn)題。未來(lái)可探索運(yùn)用紡織結(jié)構(gòu)、復(fù)合材料等對(duì)鮑登線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，如采用柔性更好的繩、帶等結(jié)構(gòu)代替鋼絲繩，并優(yōu)化外鞘材質(zhì)與性能，使鮑登線系統(tǒng)在穿戴舒適性、安全性以及傳力高效性等方面得以提升。

2.2 氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)

氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)是柔性外骨骼機(jī)器人的另一種主要驅(qū)動(dòng)方式，指通過(guò)外部氣壓去改變?nèi)斯ぜ∪獾男螒B(tài)，使其模擬人體肌肉的收縮以實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。近年來(lái)，氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)因其質(zhì)輕、柔順以及安全性好的特點(diǎn)逐漸被許多研究機(jī)構(gòu)關(guān)注。

哈佛大學(xué)Wyss實(shí)驗(yàn)室在2013年便開(kāi)發(fā)了一款氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的柔性外骨骼機(jī)器人[26]，這款柔性外骨骼機(jī)器人被稱為第1代Soft Exosuit，如圖5所示。該裝置的綁縛系統(tǒng)由多條布帶組成，采用定制的McKibben型氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，固定在外衣的結(jié)點(diǎn)處，通過(guò)拉放結(jié)點(diǎn)為下肢關(guān)節(jié)助力，該裝置的總體質(zhì)量約為10.6 kg，但是由于受到氣動(dòng)肌肉行程大小以及穿戴舒適性等因素的限制，該裝置的助力效果并不理想。

圖5 哈佛大學(xué)的第1代Soft Exosuit

2013年，日本中央大學(xué)為有輕微步態(tài)障礙的人員研制了一款可穿戴助力行走外骨骼機(jī)器人[27]，如圖6所示。它以直纖維氣動(dòng)人造肌肉為驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)收縮從腹部到膝蓋的人工肌肉，幫助穿戴者雙腿向前、向上擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)屈伸，該裝置具有較好的輔助人體運(yùn)動(dòng)效果。

圖6 日本中央大學(xué)的柔性外骨骼機(jī)器人

國(guó)內(nèi)外其他科研機(jī)構(gòu)也一直致力于具有紡織材料的氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)柔性外骨骼機(jī)器人研發(fā)創(chuàng)新。2014年，卡內(nèi)基梅龍大學(xué)設(shè)計(jì)了一款由彈性人造肌肉致動(dòng)器和軟織物套筒組成的柔性外骨骼機(jī)器人[28]，用于主動(dòng)協(xié)助膝蓋支撐運(yùn)動(dòng)，由織物制成的褲袖減輕了設(shè)備的質(zhì)量，使其更易于佩戴，該設(shè)備能夠?yàn)橄ドw伸展和彎曲提供動(dòng)力。2017年，美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)提出了一種用于膝關(guān)節(jié)康復(fù)的充氣外骨骼機(jī)器人防護(hù)服[29]。該裝置使用可熱封熱塑性聚氨酯制成的軟充氣執(zhí)行器，使外骨骼機(jī)器人在步態(tài)周期中為膝蓋伸展提供扭矩幫助。此外，還有密歇根大學(xué)的踝關(guān)節(jié)柔性外骨骼機(jī)器人、布魯塞爾自由大學(xué)的KNEXO、根特大學(xué)的助力外骨骼機(jī)器人以及北卡羅來(lái)納大學(xué)的氣動(dòng)助力外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)等[10]。

與繩驅(qū)動(dòng)相比，氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的柔性外骨骼機(jī)器人質(zhì)量相對(duì)更輕并且具有更高的功率密度，其工作模式也更接近實(shí)際肌肉，目前我國(guó)科研單位對(duì)于氣動(dòng)肌肉柔性外骨骼機(jī)器人的研究主要著重于醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域。氣動(dòng)肌肉的驅(qū)動(dòng)過(guò)程具有高度非線性和時(shí)變性，導(dǎo)致其難以達(dá)到較高的控制精度，這也是目前對(duì)于氣動(dòng)肌肉柔性外骨骼機(jī)器人研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。此外，氣體壓強(qiáng)的變化、器件之間的摩擦以及氣動(dòng)肌肉的形狀等對(duì)氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)的柔性外骨骼機(jī)器人的控制精度都有影響。因此，合理地利用紡織材料的優(yōu)勢(shì)改善氣動(dòng)肌肉性能以提高柔性外骨骼機(jī)器人的控制精度是氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)柔性外骨骼機(jī)器人未來(lái)的發(fā)展方向。

2.3 其他驅(qū)動(dòng)

采用電動(dòng)機(jī)直驅(qū)的柔性外骨骼機(jī)器人通常需要借助柔性材料以提高外骨骼機(jī)器人的穿戴舒適性。2021年，東華大學(xué)劉建輝[31]研制了一款下肢可穿戴外骨骼機(jī)器人，如圖7所示，該系統(tǒng)的骨架采用鋁合金材質(zhì)。為了提高外骨骼機(jī)器人與人體間的界面舒適性，研究者通過(guò)織物的基本參數(shù)測(cè)試和織物拉伸性能測(cè)試，對(duì)綁縛系統(tǒng)的面料進(jìn)行了選擇，用選好的織帶和硅膠制作出一種防滑的綁縛系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)用于柔性外骨骼機(jī)器人裝備上，該防滑綁縛系統(tǒng)的人機(jī)界面舒適性明顯提高。

圖7 東華大學(xué)的可穿戴外骨骼機(jī)器人

在運(yùn)用彈性紡織面料作為柔性外骨骼機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方面，2019年，西安工程大學(xué)陳炳基[32]開(kāi)發(fā)了一款依靠彈性面料助力的柔性下肢外骨骼機(jī)器人，結(jié)合人體工效學(xué)繪制了助力服的結(jié)構(gòu)圖，并通過(guò)織物性能測(cè)試選擇織物，采用立體裁剪的方法制作出原型樣衣。該助力服裝采用紡織材料，傳力系統(tǒng)采用了彈性紡織材料。在正常步態(tài)周期內(nèi)，該系統(tǒng)裝置的助力效果數(shù)可達(dá)0.276 7。

3 新型紡織材料在外骨骼機(jī)器人上的應(yīng)用

目前國(guó)內(nèi)外科研人員在對(duì)可穿戴外骨骼機(jī)器人的研究過(guò)程中，除了使用錦綸織帶、滌綸織帶等現(xiàn)有傳統(tǒng)紡織材料外，還開(kāi)始對(duì)外骨骼機(jī)器人可用的新型紡織材料進(jìn)行研發(fā)創(chuàng)新，以下為國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)在可穿戴外骨骼機(jī)器人新型紡織材料方面的研究成果。

美國(guó)北卡羅來(lái)納州立大學(xué)研發(fā)了一種類似包芯紗的混合纖維，該纖維的外層采用具有彈性的氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)，中心為鎵金屬，這種纖維可以在大應(yīng)變下消散能量，可將其應(yīng)用于外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域[33]。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制了一款可以改變剛度的織帶[34]，它能夠快速?gòu)娜彳浐涂衫鞝顟B(tài)轉(zhuǎn)換為僵硬和不可拉伸狀態(tài)，有助于滿足柔性外骨骼機(jī)器人在強(qiáng)度、安全度以及舒適性方面的共同需求。日本北海道大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種“自生長(zhǎng)”凝膠材料，這種材料可以通過(guò)有效的機(jī)械性轉(zhuǎn)導(dǎo)來(lái)應(yīng)對(duì)重復(fù)的機(jī)械應(yīng)力，為開(kāi)發(fā)用于柔性外骨骼機(jī)器人和其他智能設(shè)備的自生長(zhǎng)水凝膠材料提供了思路[35]。

碳纖維復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)外骨骼機(jī)器人輕量化和高性能化的首選材料[36]。在傳統(tǒng)的剛性外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。上海傅里葉智能科技有限公司研制了一款醫(yī)療康復(fù)用下肢外骨骼機(jī)器人Fourier X1[37]，如圖8所示，該裝置在基于人體工程學(xué)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，大量使用碳纖維復(fù)合材料，使外骨骼機(jī)器人在負(fù)重感降低的情況下，整體結(jié)構(gòu)剛度明顯提升。

圖8 上海傅里葉公司的Fourier X1

美國(guó)仿生控股有限公司(Ekso Bionic)研發(fā)了一款兼顧安全性和輕量化要求的可穿戴外骨骼機(jī)器人Ekso[37]，如圖9所示，該裝置的關(guān)鍵部位由碳纖維復(fù)合材料、鈦合金等多種輕量化材料組成，降低了外骨骼機(jī)器人裝備的整體質(zhì)量。目前，碳纖維復(fù)合材料在柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)中應(yīng)用的公開(kāi)報(bào)道尚不多見(jiàn)。但本文分析認(rèn)為，碳纖維復(fù)合材料在柔性外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域同樣不可或缺，且一般是作為關(guān)鍵輔助材料使用，如用來(lái)制備某些關(guān)鍵部件實(shí)現(xiàn)輕量化與高性能化；在特定位置實(shí)現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)與挺括；電源、控制原件等的掛載、背負(fù)及防護(hù)系統(tǒng)，其制備過(guò)程中也會(huì)大量應(yīng)用到碳纖維復(fù)合材料。

圖9 美國(guó)仿生控股有限公司的Ekso

雖然目前國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)在可穿戴外骨骼機(jī)器人新型材料的研發(fā)上已經(jīng)取得了一定的研究成果，但仍然無(wú)法滿足人們對(duì)外骨骼機(jī)器人的不同功能需求。在新型紡織材料的研發(fā)過(guò)程中，可以從紡織材料自身性能的改善、多種紡織材料的復(fù)合、紡織材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面出發(fā)，不斷提升新型紡織材料的物理和化學(xué)性能，滿足可穿戴外骨骼機(jī)器人質(zhì)輕、高強(qiáng)、舒適性好等需求。新型紡織材料在外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用前景，新型紡織材料的研發(fā)是柔性外骨骼機(jī)器人性能獲得突破的關(guān)鍵，也是未來(lái)柔性外骨骼機(jī)器人在紡織領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

穿戴者與外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)如圖10所示。從控制系統(tǒng)集成的思想來(lái)看，可將控制系統(tǒng)分為感知、傳遞、執(zhí)行3個(gè)層面，控制系統(tǒng)接收穿戴者的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，然后將指令傳遞給外骨骼機(jī)器人，外骨骼機(jī)器人上的綁縛系統(tǒng)帶動(dòng)穿戴者的肢體進(jìn)行助力。盡管各類柔性外骨骼機(jī)器人的功能各不相同，但其總體的技術(shù)性能都大同小異。以下將圍繞人體運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)技術(shù)、綁縛系統(tǒng)的安全性與舒適性研究、功能性紡織技術(shù)等方面對(duì)與紡織相關(guān)的柔性外骨骼機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

圖10 穿戴者與外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)

4.1 人體運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)技術(shù)

人體運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)是柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)在精確時(shí)間對(duì)需要助力關(guān)節(jié)提供恰當(dāng)輔助力的關(guān)鍵，精確的檢測(cè)技術(shù)可以避免出現(xiàn)人機(jī)系統(tǒng)不匹配的現(xiàn)象，提升穿戴者與柔性外骨骼機(jī)器人之間的同步速度。現(xiàn)有的人體運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)技術(shù)有EMG表面肌電技術(shù)、EEG腦電信息檢測(cè)技術(shù)、足底壓力感知技術(shù)以及慣性傳感技術(shù)等[24]。為了準(zhǔn)確收集人體的運(yùn)動(dòng)信息、感知人體的運(yùn)動(dòng)變化，柔性外骨骼機(jī)器人的人體運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)系統(tǒng)可與貼合人體的紡織材料結(jié)合形成新型的軟傳感系統(tǒng)，以便將傳感器集成到柔性外骨骼機(jī)器人裝備中。

4.2 綁縛系統(tǒng)的安全性與舒適性

作為柔性外骨骼機(jī)器人的重要組成部分，綁縛系統(tǒng)不僅是人機(jī)交互的物理界面，同時(shí)還關(guān)系到柔性外骨骼機(jī)器人的穿戴舒適性。常見(jiàn)的綁縛形式一般采用魔術(shù)貼綁帶或彈力綁帶，但是這種綁縛形式在行走過(guò)程中難以提供穩(wěn)定的預(yù)緊力，易產(chǎn)生不適感，甚至?xí)?duì)人體造成損傷[38]，如圖11所示。為了提高綁縛系統(tǒng)的安全性和舒適性，綁縛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)從選擇織物材料出發(fā)，合理控制綁縛壓力，包括采用拉伸性能好的柔性親膚面料作為與人體直接接觸的面料，在壓力集中的部位增加面料的厚度或選用減壓性好的填充材料，選用由錦綸、滌綸、氨綸等纖維組成的具有良好耐磨性和彈性的面料，并根據(jù)面料性能分別用于綁縛系統(tǒng)的不同部位上[39]。除此之外，綁縛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足穿脫方便的基本要求，盡量精簡(jiǎn)綁縛構(gòu)件，減少穿脫時(shí)間。

圖11 綁縛系統(tǒng)的安全性與舒適性

4.3 功能性紡織技術(shù)

在柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，既要滿足柔韌性和靈活性好，又要與不同穿戴者的服裝兼容，并且還應(yīng)具備不同穿戴者所需的功能。為了實(shí)現(xiàn)這些需求，從紡織角度出發(fā)，主要有纖維性能增強(qiáng)和功能性材料植入2種途徑。纖維性能增強(qiáng)方面，運(yùn)用碳纖維蜂窩內(nèi)芯減重增強(qiáng)工藝，將碳纖維與蜂窩板的結(jié)構(gòu)相融合，完成質(zhì)輕和高強(qiáng)的結(jié)合，強(qiáng)化外骨骼機(jī)器人的連接剛度[40]；運(yùn)用錦綸功能改性增強(qiáng)工藝，根據(jù)使用需求在錦綸中加入玻璃纖維、碳纖維等材料，改善錦綸物理機(jī)械性能。功能性材料植入方面，主要包括電子器件編織植入技術(shù)、調(diào)溫材料植入技術(shù)以及液態(tài)護(hù)甲植入技術(shù)。電子器件編織植入技術(shù)是指將電子器件通過(guò)編織的方式整合到織物中，以實(shí)現(xiàn)柔性外骨骼機(jī)器人所需的特定功能；調(diào)溫材料植入技術(shù)是指將具有溫度調(diào)節(jié)功能的相變材料整理到面料表面或填充到中空纖維中，相變材料可以根據(jù)人體溫度變化吸收或釋放能量，使柔性外骨骼機(jī)器人服裝內(nèi)維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的溫度；液態(tài)護(hù)甲植入可用于單兵作戰(zhàn)的柔性外骨骼機(jī)器人中，使用的材料是通過(guò)納米技術(shù)轉(zhuǎn)化的液態(tài)硅(STF)，這種材料制成的液態(tài)護(hù)甲質(zhì)量輕、防護(hù)性好，在正常情況下如液體般自由流動(dòng)，當(dāng)被利刃或槍彈擊中時(shí)會(huì)迅速變硬以阻擋槍彈穿透，保護(hù)士兵的生命安全[41]。目前科研人員對(duì)于紡織領(lǐng)域的纖維性能增強(qiáng)技術(shù)和功能性材料植入技術(shù)研究廣泛，但將這2種技術(shù)運(yùn)用到柔性外骨骼機(jī)器人上的研究少之又少，未來(lái)需要科研人員充分運(yùn)用纖維性能增強(qiáng)和功能性材料植入技術(shù)，設(shè)計(jì)出滿足不同功能需求的柔性外骨骼機(jī)器人。

4.4 其 他

除上述3種與紡織相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)以外，柔性外骨骼機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)還包括柔性驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、安全性與可靠性設(shè)計(jì)、人機(jī)柔性匹配技術(shù)以及助力效能評(píng)估等。在研究以上技術(shù)時(shí)，為了提高柔性外骨骼機(jī)器人的助力效率與靈活性，選擇合適的柔性材料并合理布局柔性材料是柔性外骨骼機(jī)器人系統(tǒng)研究的關(guān)鍵所在，也是當(dāng)前柔性外骨骼機(jī)器人領(lǐng)域研究的難題[13]。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)器人行業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的剛性外骨骼機(jī)器人早已不能滿足人們的需求，具有質(zhì)量輕、安全性好、穿戴舒適特點(diǎn)的柔性外骨骼機(jī)器人已成為可穿戴機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文在總結(jié)剛?cè)嵝酝夤趋罊C(jī)器人優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了涉及紡織材料的柔性外骨骼機(jī)器人國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，總結(jié)了新型紡織材料在外骨骼機(jī)器人上的應(yīng)用，最后對(duì)柔性外骨骼機(jī)器人中與紡織相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行綜述與分析，有助于相關(guān)研究人員更加深刻地理解紡織材料在柔性外骨骼機(jī)器人研制中的重要性，未來(lái)借助紡織材料制備的柔性外骨骼機(jī)器人將具有廣闊的應(yīng)用前景。