基于紡織材料的柔性外骨骼機器人研究現狀

劉月娟，傅宏俊，李樹鋒，郭 歡，鐘智麗

(1.天津工業大學 紡織科學與工程學院，天津 300387； 2.國家康復輔具研究中心 康復輔具質量檢驗中心，北京 100176)

腦卒中疾病是肢體殘疾患者的主要病因，現已成為影響人類壽命與生活質量的頭號殺手[1]，這類患者普遍存在肢體運動功能障礙，康復訓練是肢體殘疾患者重獲運動能力的重要途徑[2]。然而傳統的康復訓練對專業醫療人員的依賴性較高，存在工作量大、治療效率低、康復師不足等問題，這導致許多患者錯失了最佳康復治療的機會。隨著近十幾年機器人技術的快速發展，針對外骨骼康復機器人領域的研究逐步深入，外骨骼機器人能夠幫助肢體殘疾患者進行康復訓練，替代專業康復師的人力看護，提高康復訓練的效率[3]。除康復醫療領域外，外骨骼機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能力，增強工人搬運能力等[4]，因此外骨骼機器人具有很高的研究價值。

近年來，基于外骨骼機器人需求的研究也越來越受到重視。然而，現有的外骨骼機器人綜述大多側重于驅動和控制，較少從紡織服裝領域出發，尤其缺乏紡織材料在外骨骼機器人中的應用。為此，本文在介紹剛柔性外骨骼機器人的基礎上，聚焦紡織材料在外骨骼機器人上的應用進展以及外骨骼機器人新型材料的研發創新，對柔性外骨骼機器人所涉及到的紡織關鍵技術進行了詳細的綜述與分析，系統地說明紡織材料在柔性外骨骼機器人研制中的不可或缺的作用。

1 外骨骼機器人簡介

外骨骼機器人是一種基于仿生學原理，通過模擬人體骨骼特征而設計的可穿戴設備[5]，具有提升人體行走耐久性和協助人體康復訓練等功能。根據本體材料的不同，可分為剛性外骨骼機器人和柔性外骨骼機器人。目前市場上具有代表性的外骨骼機器人大都采用剛性結構，如美國加州大學的BLEEX系列[6]、日本筑波大學的HAL系列[7]和瑞士蘇黎世大學的Lokomat[8]等。剛性外骨骼機器人的優點在于其堅固耐用的結構以及力的精確傳輸性，但其質量較重、不易穿戴，且其安裝也需要專業的培訓人員，因此國內外對于外骨骼機器人的研究熱點也逐漸向具有紡織材料的柔性外骨骼機器人方向轉移[9]。如表1所示，與傳統的剛性外骨骼機器人相比，柔性外骨骼機器人擁有更多優點[10]，柔性外骨骼機器人采用柔性材料替換原本的剛性結構，其質量更輕、更靈活，并且舒適性好、助力更加自然，具有較高的研究價值。

表1 剛柔性外骨骼機器人對比

2 柔性外骨骼機器人研究現狀

為了搶占國際高新技術的至高點，越來越多的國家開始關注基于紡織材料的柔性外骨骼機器人技術，并紛紛建立國家重點科研機構，如美國的革命性纖維與織物制造研究以及德國的“未來紡織”研究計劃[11]。據《中國制造2025》顯示，我國將大力推進智能醫用及工業機器人產業的發展[12]，這表明我國的可穿戴機器人技術也受到了高度重視。由于柔性外骨骼機器人自身所具有的獨特優勢以及廣闊的應用空間，對柔性可穿戴外骨骼機器人的研究成為了當前外骨骼機器人研究的重點方向[13]。

2.1 繩驅動

繩驅動即采用鮑登線等線狀或帶狀柔性結構，通過收縮線距傳遞拉力進行驅動，是柔性外骨骼機器人最為常見的一種驅動形式。

作為柔性外骨骼機器人領域的領軍團隊，哈佛大學Wyss實驗室在2014年設計了一款多關節柔性外骨骼機器人[14]，如圖1(a)所示。該裝置由電動機和鮑登線驅動，綁縛系統采用舒適性好的彈性紡織品作為綁縛帶，使套裝在沒有被電動機驅動的情況下，也能通過彈性紡織帶進行助力。2015年，該團隊研制了一套輔助髖關節運動的便攜式柔性外骨骼機器人[15]，如圖1(b)所示。這套柔性外骨骼機器人的特點是采用織帶作為執行機構，將織帶纏繞在電動機的線輪上以拉動下肢運動，織帶可以為大腿提供高達150 N的力，有利于髖關節伸展。

圖1 哈佛大學的繩驅動柔性外骨骼機器人

2015年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院的感覺運動系統實驗室設計了一款柔性外骨骼機器人系統[16]，該系統可幫助下肢殘疾患者恢復行走能力，如圖2(a)所示。研究人員使用錦綸及其他材質的織帶連接髖關節和膝關節，并使用傳感器和鮑登線分別作為監測器和執行器，驗證了利用關節協同作用的多關節防護服可用于腿部功能的康復。2017年，該團隊設計了一款基于紡織品的新版柔性下肢外骨骼機器人Myosuit[17]，如圖2(b)所示，Myosuit 的質量為4.09 kg，可續航4 h，整體采用3層結構設計，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，可用于調節關節周圍的力，使柔性外骨骼機器人在沒有剛性框架的情況下依然可以保持結構的穩定。

圖2 瑞士蘇黎世聯邦理工學院的柔性外骨骼機器人

2017年，中科院深圳先進技術研究院的吳新宇團隊采用紡織材料設計了一款基于柔性傳動的全身型助力外骨骼機器人服[18]，如圖3所示。這款柔性外骨骼機器人的質量約4 kg，具有10個自由度，采用鋼絲繩作為柔性傳輸介質，研究人員還為這款外骨骼機器人設計了部分被動關節，提出了一種僅使用關節角度傳感器、足底壓力傳感器和傾斜傳感器的全身外骨骼機器人步態相位識別新方法，通過進行平地行走、上下坡以及搬運實驗，證實了該系統具有良好的助力效果。

圖3 中科院深圳先進技術研究院的柔性外骨骼機器人

2021年，北京工業大學李劍鋒團隊發明了一款穿戴式柔性下肢外骨骼機器人助力服[19]，如圖4所示。研究人員在研制織物外衣的基礎上，對助力系統的控制與步態預測進行了詳細研究。表面采用彈性面料以提高助力外衣的穿戴舒適性，同時，外衣上設計了韌性較強的開口環包裹于外側，開口環采用錦綸材質，并用魔術貼收緊固定于腿部和腰部。該系統具有良好的穿戴舒適性，符合功能外衣的設計要求。

根據《膝關節功能評價標準》[3]中的相關內容對兩組的康復效果進行評估：（1）優：，關節活動度超過100°。（2）良：關節活動度為81°～100°。（3）中：關節活動度為51°～80°。（4）差：關節活動度小于50°。

圖4 北京工業大學的柔性外骨骼機器人

除此之外，韓國首爾國立大學開發了一款膝關節柔性外骨骼機器人助力服[20]，用于克服老年人或殘疾人因身體虛弱帶來的不便，它由柔性紡織材料制成的連接布帶組成，通過電動機牽引鋼絲繩，將輔助力沿助力服傳遞至膝關節。澳大利亞國防部制備了一款軍用被動柔性外骨骼機器人OX[21]，該裝置由紡織材料和2條鮑登線組成，制作成本低，質量小于3 kg，可將士兵2/3的負荷分散轉移，從而減輕士兵負重。天津工業大學王子帥等[22-23]設計了一款柔性可穿戴助力行走外骨骼機器人，創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，通過對3種潛水料的性能進行測試，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器人服裝的非直接受力面料。此外，還有歐盟的XoSoft研究計劃、哥倫比亞大學的C-ALEX、麻省理工學院的踝關節助力外骨骼機器人、日本松下電器的交叉線助力服[24-25]等相關外骨骼機器人產品的研究。

繩驅動作為柔性外骨骼機器人的主流驅動方式，多采用鮑登線通過收縮線距模擬肌肉運動以施加輔助力，具有柔性強、體積小、便攜性好等優點。鮑登線由線管(外鞘)和鋼絲繩組成，可以進行較大程度的準柔性彎折，方便實現助力載荷的遠程傳遞，因此被很多柔性外骨骼機器人系統所采用，其缺點在于：鋼絲繩和線管之間摩擦所產生的力學損耗較大，布線彎折較多時尤其明顯；整體質量較重，不利于柔性外骨骼機器人系統的輕量化；鋼絲繩、塑料外鞘等的特性決定了撓性結構較大，穿戴、行走舒適性欠佳。因此，選用優化的柔性材料與結構實現外骨骼機器人更為舒適、有效的驅動力傳遞是目前繩驅動柔性外骨骼機器人研究的關鍵問題。未來可探索運用紡織結構、復合材料等對鮑登線系統進行優化，如采用柔性更好的繩、帶等結構代替鋼絲繩，并優化外鞘材質與性能，使鮑登線系統在穿戴舒適性、安全性以及傳力高效性等方面得以提升。

2.2 氣動肌肉驅動

氣動肌肉驅動是柔性外骨骼機器人的另一種主要驅動方式，指通過外部氣壓去改變人工肌肉的形態，使其模擬人體肌肉的收縮以實現驅動關節的運動。近年來，氣動肌肉驅動因其質輕、柔順以及安全性好的特點逐漸被許多研究機構關注。

哈佛大學Wyss實驗室在2013年便開發了一款氣動肌肉驅動的柔性外骨骼機器人[26]，這款柔性外骨骼機器人被稱為第1代Soft Exosuit，如圖5所示。該裝置的綁縛系統由多條布帶組成，采用定制的McKibben型氣動人工肌肉驅動，固定在外衣的結點處，通過拉放結點為下肢關節助力，該裝置的總體質量約為10.6 kg，但是由于受到氣動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 哈佛大學的第1代Soft Exosuit

2013年，日本中央大學為有輕微步態障礙的人員研制了一款可穿戴助力行走外骨骼機器人[27]，如圖6所示。它以直纖維氣動人造肌肉為驅動模塊，通過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，從而實現髖關節屈伸，該裝置具有較好的輔助人體運動效果。

圖6 日本中央大學的柔性外骨骼機器人

國內外其他科研機構也一直致力于具有紡織材料的氣動肌肉驅動柔性外骨骼機器人研發創新。2014年，卡內基梅龍大學設計了一款由彈性人造肌肉致動器和軟織物套筒組成的柔性外骨骼機器人[28]，用于主動協助膝蓋支撐運動，由織物制成的褲袖減輕了設備的質量，使其更易于佩戴，該設備能夠為膝蓋伸展和彎曲提供動力。2017年，美國亞利桑那州立大學提出了一種用于膝關節康復的充氣外骨骼機器人防護服[29]。該裝置使用可熱封熱塑性聚氨酯制成的軟充氣執行器，使外骨骼機器人在步態周期中為膝蓋伸展提供扭矩幫助。此外，還有密歇根大學的踝關節柔性外骨骼機器人、布魯塞爾自由大學的KNEXO、根特大學的助力外骨骼機器人以及北卡羅來納大學的氣動助力外骨骼機器人系統等[10]。

與繩驅動相比，氣動肌肉驅動的柔性外骨骼機器人質量相對更輕并且具有更高的功率密度，其工作模式也更接近實際肌肉，目前我國科研單位對于氣動肌肉柔性外骨骼機器人的研究主要著重于醫療康復領域。氣動肌肉的驅動過程具有高度非線性和時變性，導致其難以達到較高的控制精度，這也是目前對于氣動肌肉柔性外骨骼機器人研究的重點和難點。此外，氣體壓強的變化、器件之間的摩擦以及氣動肌肉的形狀等對氣動肌肉驅動的柔性外骨骼機器人的控制精度都有影響。因此，合理地利用紡織材料的優勢改善氣動肌肉性能以提高柔性外骨骼機器人的控制精度是氣動肌肉驅動柔性外骨骼機器人未來的發展方向。

2.3 其他驅動

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

圖7 東華大學的可穿戴外骨骼機器人

在運用彈性紡織面料作為柔性外骨骼機器人驅動方面，2019年，西安工程大學陳炳基[32]開發了一款依靠彈性面料助力的柔性下肢外骨骼機器人，結合人體工效學繪制了助力服的結構圖，并通過織物性能測試選擇織物，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，傳力系統采用了彈性紡織材料。在正常步態周期內，該系統裝置的助力效果數可達0.276 7。

3 新型紡織材料在外骨骼機器人上的應用

目前國內外科研人員在對可穿戴外骨骼機器人的研究過程中，除了使用錦綸織帶、滌綸織帶等現有傳統紡織材料外，還開始對外骨骼機器人可用的新型紡織材料進行研發創新，以下為國內外相關機構在可穿戴外骨骼機器人新型紡織材料方面的研究成果。

美國北卡羅來納州立大學研發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變下消散能量，可將其應用于外骨骼機器人領域[33]。瑞士洛桑聯邦理工學院研制了一款可以改變剛度的織帶[34]，它能夠快速從柔軟和可拉伸狀態轉換為僵硬和不可拉伸狀態，有助于滿足柔性外骨骼機器人在強度、安全度以及舒適性方面的共同需求。日本北海道大學開發了一種“自生長”凝膠材料，這種材料可以通過有效的機械性轉導來應對重復的機械應力，為開發用于柔性外骨骼機器人和其他智能設備的自生長水凝膠材料提供了思路[35]。

碳纖維復合材料是實現外骨骼機器人輕量化和高性能化的首選材料[36]。在傳統的剛性外骨骼機器人領域有著廣泛的應用。上海傅里葉智能科技有限公司研制了一款醫療康復用下肢外骨骼機器人Fourier X1[37]，如圖8所示，該裝置在基于人體工程學設計的基礎上，大量使用碳纖維復合材料，使外骨骼機器人在負重感降低的情況下，整體結構剛度明顯提升。

圖8 上海傅里葉公司的Fourier X1

美國仿生控股有限公司(Ekso Bionic)研發了一款兼顧安全性和輕量化要求的可穿戴外骨骼機器人Ekso[37]，如圖9所示，該裝置的關鍵部位由碳纖維復合材料、鈦合金等多種輕量化材料組成，降低了外骨骼機器人裝備的整體質量。目前，碳纖維復合材料在柔性外骨骼機器人系統中應用的公開報道尚不多見。但本文分析認為，碳纖維復合材料在柔性外骨骼機器人領域同樣不可或缺，且一般是作為關鍵輔助材料使用，如用來制備某些關鍵部件實現輕量化與高性能化；在特定位置實現柔性結構的增強與挺括；電源、控制原件等的掛載、背負及防護系統，其制備過程中也會大量應用到碳纖維復合材料。

圖9 美國仿生控股有限公司的Ekso

雖然目前國內外科研機構在可穿戴外骨骼機器人新型材料的研發上已經取得了一定的研究成果，但仍然無法滿足人們對外骨骼機器人的不同功能需求。在新型紡織材料的研發過程中，可以從紡織材料自身性能的改善、多種紡織材料的復合、紡織材料的結構優化設計等方面出發，不斷提升新型紡織材料的物理和化學性能，滿足可穿戴外骨骼機器人質輕、高強、舒適性好等需求。新型紡織材料在外骨骼機器人領域具有極大的應用前景，新型紡織材料的研發是柔性外骨骼機器人性能獲得突破的關鍵，也是未來柔性外骨骼機器人在紡織領域的主要發展方向。

4 關鍵技術分析

穿戴者與外骨骼機器人系統的關聯如圖10所示。從控制系統集成的思想來看，可將控制系統分為感知、傳遞、執行3個層面，控制系統接收穿戴者的運動信號，然后將指令傳遞給外骨骼機器人，外骨骼機器人上的綁縛系統帶動穿戴者的肢體進行助力。盡管各類柔性外骨骼機器人的功能各不相同，但其總體的技術性能都大同小異。以下將圍繞人體運動信息檢測技術、綁縛系統的安全性與舒適性研究、功能性紡織技術等方面對與紡織相關的柔性外骨骼機器人關鍵技術進行分析。

圖10 穿戴者與外骨骼機器人系統的關聯

4.1 人體運動信息檢測技術

人體運動信息的檢測是柔性外骨骼機器人系統在精確時間對需要助力關節提供恰當輔助力的關鍵，精確的檢測技術可以避免出現人機系統不匹配的現象，提升穿戴者與柔性外骨骼機器人之間的同步速度?，F有的人體運動信息檢測技術有EMG表面肌電技術、EEG腦電信息檢測技術、足底壓力感知技術以及慣性傳感技術等[24]。為了準確收集人體的運動信息、感知人體的運動變化，柔性外骨骼機器人的人體運動信息檢測系統可與貼合人體的紡織材料結合形成新型的軟傳感系統，以便將傳感器集成到柔性外骨骼機器人裝備中。

4.2 綁縛系統的安全性與舒適性

作為柔性外骨骼機器人的重要組成部分，綁縛系統不僅是人機交互的物理界面，同時還關系到柔性外骨骼機器人的穿戴舒適性。常見的綁縛形式一般采用魔術貼綁帶或彈力綁帶，但是這種綁縛形式在行走過程中難以提供穩定的預緊力，易產生不適感，甚至會對人體造成損傷[38]，如圖11所示。為了提高綁縛系統的安全性和舒適性，綁縛系統的設計應從選擇織物材料出發，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，并根據面料性能分別用于綁縛系統的不同部位上[39]。除此之外，綁縛系統的設計應滿足穿脫方便的基本要求，盡量精簡綁縛構件，減少穿脫時間。

圖11 綁縛系統的安全性與舒適性

4.3 功能性紡織技術

在柔性外骨骼機器人系統的設計中，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，并且還應具備不同穿戴者所需的功能。為了實現這些需求，從紡織角度出發，主要有纖維性能增強和功能性材料植入2種途徑。纖維性能增強方面，運用碳纖維蜂窩內芯減重增強工藝，將碳纖維與蜂窩板的結構相融合，完成質輕和高強的結合，強化外骨骼機器人的連接剛度[40]；運用錦綸功能改性增強工藝，根據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、調溫材料植入技術以及液態護甲植入技術。電子器件編織植入技術是指將電子器件通過編織的方式整合到織物中，以實現柔性外骨骼機器人所需的特定功能；調溫材料植入技術是指將具有溫度調節功能的相變材料整理到面料表面或填充到中空纖維中，相變材料可以根據人體溫度變化吸收或釋放能量，使柔性外骨骼機器人服裝內維持一個相對穩定的溫度；液態護甲植入可用于單兵作戰的柔性外骨骼機器人中，使用的材料是通過納米技術轉化的液態硅(STF)，這種材料制成的液態護甲質量輕、防護性好，在正常情況下如液體般自由流動，當被利刃或槍彈擊中時會迅速變硬以阻擋槍彈穿透，保護士兵的生命安全[41]。目前科研人員對于紡織領域的纖維性能增強技術和功能性材料植入技術研究廣泛，但將這2種技術運用到柔性外骨骼機器人上的研究少之又少，未來需要科研人員充分運用纖維性能增強和功能性材料植入技術，設計出滿足不同功能需求的柔性外骨骼機器人。

4.4 其 他

除上述3種與紡織相關的關鍵技術以外，柔性外骨骼機器人的關鍵技術還包括柔性驅動與控制技術、安全性與可靠性設計、人機柔性匹配技術以及助力效能評估等。在研究以上技術時，為了提高柔性外骨骼機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器人系統研究的關鍵所在，也是當前柔性外骨骼機器人領域研究的難題[13]。

5 結束語

隨著機器人行業的不斷發展，傳統的剛性外骨骼機器人早已不能滿足人們的需求，具有質量輕、安全性好、穿戴舒適特點的柔性外骨骼機器人已成為可穿戴機器人行業的發展趨勢。本文在總結剛柔性外骨骼機器人優缺點的基礎上，詳細介紹了涉及紡織材料的柔性外骨骼機器人國內外研究現狀，總結了新型紡織材料在外骨骼機器人上的應用，最后對柔性外骨骼機器人中與紡織相關的關鍵技術進行綜述與分析，有助于相關研究人員更加深刻地理解紡織材料在柔性外骨骼機器人研制中的重要性，未來借助紡織材料制備的柔性外骨骼機器人將具有廣闊的應用前景。