软体机器人上肢可穿戴设备：系统性综述

作者及机构
本文由Elena Bardi（第一作者）、Marta Gandolla、Francesco Braghin、Ferruccio Resta（均来自意大利米兰理工大学机械工程系）以及Alessandra L. G. Pedrocchi和Emilia Ambrosini（米兰理工大学生物电子与信息工程系）共同完成，发表于2022年的《Journal of Neuroengineering and Rehabilitation》。

研究背景与目标
本文是一篇系统性综述，聚焦于上肢软体外骨骼（soft robotic wearable devices，又称exosuits）的设计、应用与技术现状。这类设备通过柔性材料（如织物或聚合物）替代传统刚性外骨骼的机械结构，旨在解决刚性外骨骼的局限性：重量大、限制关节自由度、对齐困难、舒适性差等问题。软体外骨骼因其轻便、便携和适应性强的特点，在康复（如中风后上肢功能恢复）、辅助（如帮助日常生活活动）和增强（如工业或运动场景）领域展现出潜力。然而，其发展仍面临挑战，如扭矩传递效率低、控制策略复杂等。本文的目标是为研究人员提供全面的技术现状分析，涵盖设计、驱动方式、控制策略及临床验证等方面。

主要观点与论据

1. 应用场景分类
   软体外骨骼主要用于三类场景：康复（42%）、辅助（32%）及增强（工业13%，运动3%）。康复场景中，设备通过重复训练促进神经可塑性；辅助场景则侧重于帮助患者完成日常活动（如进食、穿衣）；增强场景多用于健康人群的体力负荷分担。支持证据包括105篇文献中69种设备的统计结果，其中81%为医疗用途，表明研究重心偏向临床需求。

2. 驱动技术分析
   驱动方式是设计的核心，本文将其分为五类：

   • 气动驱动（52%）：利用压缩空气使柔性执行器收缩或弯曲，优势在于压力分布均匀，但需外接气泵，便携性受限。例如，O’Neill等开发的肩部辅助设备通过气动肌肉实现重力补偿。
     
   • 电缆驱动（29%）：通过电机收紧 Bowden 缆绳（一种低摩擦鞘套电缆）传递力，响应速度快但存在摩擦和迟滞问题。Xiloyannis等提出基于肌电（EMG）的扭矩估计算法以优化控制。
     
   • 被动系统（6%）：如弹簧或弹性带，无需外部能源，但功能单一。Park等设计的肩部支撑装置通过弹性元件减少抬臂能耗。
     
   • 形状记忆合金（SMA，6%）：适用于小幅度慢速动作，但温敏性限制其稳定性。
     
   • 混合驱动（4%）：如气动与电缆结合，或结合神经肌肉电刺激（NMES），以兼顾力量与灵活性。
     

3. 关节自由度与设计创新
   56%的设备仅驱动单关节（如肘部屈伸），28%驱动双关节，多自由度设计较少。设计创新包括：

   • 仿生结构：如模仿肌腱路径的电缆排布（Lessard等）或肩部十字韧带四连杆结构（O’Neill等）。
     
   • 压力优化：通过增加锚点数量（Wei等）或纤维耦合结构（Samper-Escudero等）分散剪切力。
     
   • 模块化驱动：Xiloyannis等提出“一对多”驱动器，单电机控制双肘关节，降低系统复杂度。
     

4. 意图检测与控制策略
   仅33%的设备集成意图检测，方法包括：

   • 生理信号：如表面肌电（sEMG）阈值触发（Hosseini等）或脑电（EEG）注意力检测（Li等）。
     
   • 运动学反馈：惯性测量单元（IMU）估算重力补偿扭矩（Georgarakis等）。
     
   • 交互控制：镜像控制（健康侧肢体引导患侧）或语音指令（Kim等）。
     实验表明，EMG与IMU控制性能接近，但EMG更能适应动态变化（Lotti等）。
     

5. 技术成熟度（TRL）与验证
   75%设备处于TRL 4-5级（实验室原型或健康人测试），仅少数达6级（临床验证）。验证指标包括：

   • 运动学性能：如轨迹跟踪误差（Gaponov等报道肩关节RMSE≤4.9°）。
     
   • 肌肉负荷：多数设备可降低目标肌肉EMG信号强度（Xiloyannis等）。
     
   • 临床效果：仅Nam等的混合驱动设备（NMES+气动）通过20次训练显著改善中风患者上肢功能。
     

研究意义与价值
本文的价值在于：
1. 技术全景梳理：首次系统性统计不同驱动方式的占比、关节覆盖范围及控制方法，揭示气动与电缆驱动为主导技术。
2. 设计指导：指出多自由度、高兼容性设计是未来方向，仿生学与混合驱动可能突破现有局限。
3. 临床转化建议：强调需统一评估标准（如运动时间、路径比）和扩大临床试验，以验证实际疗效。

亮点与创新
- 全面性：涵盖2000-2020年105篇文献，量化分析技术分布。
- 批判性洞察：指出软体外骨骼在扭矩传递和意图检测上的瓶颈，如依赖用户骨骼结构导致高扭矩风险。
- 跨领域整合：结合机器人学、康复医学与材料学，提出“外肌肉”（external muscle）概念，区别于传统外骨骼的“外骨架”范式。

其他有价值内容
- 专利空白：作者未检索专利文献，可能低估工业界进展。
- 经济性分析：未讨论成本，但柔性材料与简化驱动有望降低售价。

本文为软体外骨骼研发提供了路线图，尤其对医疗应用的设计者具有直接参考意义。