被動式負(fù)重外骨骼站立承重性能評估

崔銀平，楊國慶，馬千里，郭曉東，朱 革，陳永清，袁 博*

（1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054；2.重慶北部寬仁醫(yī)院，重慶 401121；3.江西泰豪軍工集團(tuán)有限公司，南昌 330096）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代運(yùn)輸能力得到大幅度的提升，但在特定的環(huán)境條件下，例如，在交通不暢的高寒邊防或地震、火災(zāi)現(xiàn)場，常規(guī)的運(yùn)輸工具無法施展，人力運(yùn)輸仍然是最有效的運(yùn)輸方式[1-3]。當(dāng)背負(fù)負(fù)載過多時，負(fù)載會對人體肩部皮膚與軟組織造成過度壓迫，影響周邊神經(jīng)與血管，從而產(chǎn)生明顯的肩部不適和疼痛等現(xiàn)象[4-7]。有研究表明，背負(fù)10 kg的背囊會造成肩部肌肉含氧量以及皮膚血管的血流量明顯減少，背負(fù)等同于20%身體質(zhì)量的背囊會影響攜行者的耗氧量與疲勞度[8-9]，過多的負(fù)重還會影響行進(jìn)中的軀干平衡，長時間的負(fù)重會對人體生理功能甚至結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的負(fù)面影響[10]。因此，有必要采取有效的措施減少負(fù)重過程對人體的負(fù)面影響。

負(fù)重助力外骨骼是一種能有效減輕負(fù)重對人體負(fù)面影響的設(shè)備[11]，本課題組已研究了一種被動式負(fù)重外骨骼。到目前為止，國內(nèi)外對負(fù)重外骨骼開展了一系列負(fù)重行走實(shí)驗(yàn)與評估的研究[12-14]，但對其承重效果的評估不夠全面。為進(jìn)一步弄清楚人體使用被動式負(fù)重外骨骼在站立負(fù)重時的承重和助力機(jī)制及其改進(jìn)方向，進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)重外骨骼的承重結(jié)構(gòu)，本研究對其進(jìn)行站立承重性能評估。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)

被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由綁縛機(jī)構(gòu)、背囊、背架、腰部組件、腿部組件、踝關(guān)節(jié)組件和鞋套組成。該外骨骼共有13個自由度，總質(zhì)量4.9 kg，尺寸可滿足身高165～185 cm的男性穿戴者。

該外骨骼自由度如圖2所示，其中腰部自由度是為了滿足人體正?；顒又行刈底笥覀?cè)身動作不受限制；髖關(guān)節(jié)3個自由度分別對應(yīng)前屈和后伸動作、外展和內(nèi)收動作、旋內(nèi)和旋外動作；膝關(guān)節(jié)自由度滿足屈曲和伸直動作；踝關(guān)節(jié)自由度滿足背屈和趾屈動作以及外展和內(nèi)收動作。

圖1 被動式負(fù)重外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 被動式負(fù)重外骨骼自由度示意圖

1.2 站立承重實(shí)驗(yàn)

7名受試者在不穿外骨骼無負(fù)重、穿戴外骨骼負(fù)重、不穿外骨骼負(fù)重3種不同條件下依次接受測試。負(fù)重為25 kg制式背包。受試者需要在每種受試條件下保持靜止站立10 min，同時進(jìn)行肌電信號、肩部壓力、能量消耗測試。測試場景如圖3所示。每位受試者需休息30 min以上再進(jìn)行下一個受試條件測試，以保證受試者的體能恢復(fù)。

圖3 測試場景

1.2.1 受試者

本實(shí)驗(yàn)共招募7名健康成年男子作為受試者，受試者基本信息見表1，平均年齡（25±4）歲，身高（178.14±6.31）cm，體質(zhì)量（72.21±11.59）kg，受試者的身高、體質(zhì)量均滿足被動式負(fù)重外骨骼樣機(jī)尺寸調(diào)節(jié)范圍。所有受試者身體健康，在測試前3個月均沒有與肌肉骨骼系統(tǒng)相關(guān)的疾病或損傷，且在參與本實(shí)驗(yàn)前充分了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測試項(xiàng)目。

表1 受試者基本信息

1.2.2 肌電信號采集

使用美國Noraxon公司的16路信號通道Noraxon-DTS系列無線表面肌電采集系統(tǒng)進(jìn)行肌電信號采集。肌電信號數(shù)據(jù)通過工作站的MR 23軟件以2 000 Hz采樣頻率采集，數(shù)據(jù)采集時長為60 s。電極貼使用一次性雙極電極貼，貼片位置分別為左右兩側(cè)斜方肌和豎脊肌，如圖4所示。貼片前先用75%的醫(yī)用酒精擦拭皮膚表面，去除黏附在皮膚表面的油污，待皮膚干燥后再貼上電極貼。

1.2.3 肩部壓力測量

圖4 測試肌肉位置

使用蘇州能斯達(dá)電子的DF9-40系列柔性薄膜壓力傳感器和八通道模擬信號采集卡MY2901測量肩部接觸壓力，將數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與計算機(jī)連接可直接讀取AD值數(shù)據(jù)和參考壓力值。肩部壓力傳感器布局位置如圖5所示，分別為左右兩側(cè)的肩胸、前肩、肩頂、肩背8個位置。采集卡設(shè)置采樣頻率為2 Hz，待壓力數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，記錄10 min內(nèi)的壓力數(shù)據(jù)。

圖5 肩部壓力傳感器布局位置

1.2.4 能量消耗測試

使用Carefusion公司的Oxycon Mobile運(yùn)動心肺功能測試儀測量受試者不同條件下站立姿態(tài)過程中的耗氧量和二氧化碳呼出量，通過耗氧量和二氧化碳呼出量計算出能量消耗功率。測試前對設(shè)備進(jìn)行提前標(biāo)定和氣體含量標(biāo)定，確保測試過程中的參數(shù)精準(zhǔn)。呼吸面罩穿戴過程中，要確保面罩與受試者臉部皮膚之間沒有任何泄漏空間。記錄受試者在不同受試條件下10 min內(nèi)的耗氧量與二氧化碳呼出量，并利用Start JLad軟件計算平均值作為數(shù)據(jù)樣本。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

1.3.1 肌電信號

本實(shí)驗(yàn)提取肌電信號時域特征積分肌電（intergrated electromyogram，iEMG）值來反映負(fù)重過程中肌肉的發(fā)力情況，計算公式如下：

表2 受試者斜方肌和豎脊肌肌肉活動測試結(jié)果

式中，xi為采集的時間序列肌電信號；i=0，1，2，…，N-1，為一長度為N的時間序列。

1.3.2 肩部壓力

根據(jù)測得的參考壓力值數(shù)據(jù)，求得每個部位壓力值的平均值作為數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.3.3 能量消耗

根據(jù)Collins[15]的研究，可以計算出在3種不同條件下站立負(fù)重時單位體質(zhì)量的平均能量消耗功率H：

式中，H為能量消耗功率，單位為W/kg；VO2為耗氧量，VCO2為二氧化碳呼出量，單位均為mL/s；m為受試者體質(zhì)量，單位為kg。

1.4 統(tǒng)計學(xué)分析

采用SPSS 26.0軟件對肌電信號和能量消耗功率數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本t檢驗(yàn)，檢驗(yàn)穿戴外骨骼在站立負(fù)重時對肌肉活動和能量消耗功率的影響是否具有顯著性，P＜0.05表示差異具有顯著性。

2 結(jié)果

2.1 肌肉活動

本實(shí)驗(yàn)中測量的人體肌肉包括左斜方肌、左豎脊肌和右斜方肌、右豎脊肌，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。左斜方肌不穿外骨骼負(fù)重時，平均積分肌電值為（23.62±6.14）μV，而穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為（6.40±1.97）μV，穿戴外骨骼使左斜方肌肌電強(qiáng)度降低72.90%（P=0.018）。右斜方肌不穿外骨骼負(fù)重時，平均積分肌電值為（24.93±7.28）μV，穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為（8.86±2.52）μV，穿戴外骨骼使右斜方肌肌電強(qiáng)度降低了64.46%（P=0.030）。左豎脊肌不穿外骨骼負(fù)重時，平均積分肌電值為（7.17±1.39）μV，穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為（12.50±3.15）μV，穿戴外骨骼不能降低左豎脊肌肌電強(qiáng)度（P=0.135）。右豎脊肌不穿外骨骼負(fù)重時，平均積分肌電值為（6.90±1.15）μV，穿戴外骨骼負(fù)重后平均積分肌電值為（11.30±2.31）μV，穿戴外骨骼也不能降低右豎脊肌肌電強(qiáng)度（P=0.134）。

2.2 肩部壓力

受試者肩部壓力測試數(shù)據(jù)見表3。結(jié)果顯示，穿戴外骨骼負(fù)重與不穿外骨骼負(fù)重相比，肩部壓力平均降低了85.56%，以肩頂和肩背壓力減重最顯著（左肩頂壓力降低92.27%，右肩頂壓力降低83.11%，左肩背壓力降低90.64%，右肩背壓力降低86.86%）。

2.3 能量消耗

受試者耗氧量、二氧化碳呼出量和能量消耗功率測試結(jié)果見表4。從表4可知，穿戴外骨骼負(fù)重時耗氧量[（356.29±21.48）mL/min]較不穿外骨骼負(fù)重時耗氧量[（393.57±21.97）mL/min]降低9.47%（P=0.002）；穿外骨骼負(fù)重時二氧化碳呼出量[（290.43±15.11）mL/min]較不穿外骨骼負(fù)重時[（347.14±27.25）mL/min]降低16.34%（P=0.007）；穿戴外骨骼負(fù)重時能量消耗功率[（1.64±0.09）W/kg]較不穿外骨骼負(fù)重時[（1.84±0.09）W/kg]降低10.87%（P=0.002）。

表3 受試者肩部壓力測試結(jié)果

表4 受試者耗氧量、二氧化碳呼出量、能量消耗功率測試結(jié)果

3 討論

本實(shí)驗(yàn)建立了斜方肌和豎脊肌肌電信號積分值、肩部壓力、耗氧量、二氧化碳排出量、能量消耗功率等指標(biāo)評價體系，并用該評價體系對被動式負(fù)重外骨骼的承重和助力機(jī)制進(jìn)行相關(guān)研究。

在站立負(fù)重過程中，人體主要靠肩部支撐負(fù)重，因此斜方肌是站立負(fù)重過程中主要并持續(xù)發(fā)力的肌肉。本實(shí)驗(yàn)對左右側(cè)斜方肌的肌電信號測試結(jié)果顯示，穿戴外骨骼站立負(fù)重時的斜方肌積分肌電值比不穿外骨骼時平均降低68.68%，差異顯著，說明穿戴外骨骼負(fù)重能明顯降低斜方肌的肌電強(qiáng)度。

肩部接觸壓力是人體在負(fù)重過程中感受反應(yīng)最直接的物理指標(biāo)，在肩部壓力長時間的作用下，容易造成接觸部位皮膚紅腫和手臂血流不通暢，出現(xiàn)手臂麻木等不良感覺。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，穿戴外骨骼并負(fù)重25 kg時，其肩部壓力較不穿外骨骼負(fù)重時平均降低85.56%，這說明該外骨骼能夠?qū)毫鲗?dǎo)至地面，減輕人體肩部承重負(fù)擔(dān)，緩解肩部接觸壓力。

耗氧量可以反映出人體單位時間內(nèi)消耗掉的氧氣量，在基礎(chǔ)代謝一定的情況下，耗氧量越多說明人體活動量越大；同理，二氧化碳呼出量反映人體單位時間內(nèi)由肺呼出的二氧化碳量，在基礎(chǔ)代謝一定的情況下，二氧化碳呼出量越多說明人體活動量越大。根據(jù)耗氧量和二氧化碳呼出量計算出的能量消耗功率，能更直觀地反映人體活動量的大小。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，穿戴外骨骼后負(fù)重，其耗氧量較不穿外骨骼負(fù)重時減少9.47%，二氧化碳呼出量較不穿外骨骼負(fù)重時降低16.34%，能量消耗功率較不穿外骨骼負(fù)重時降低10.87%。這些數(shù)據(jù)表明，穿戴外骨骼后負(fù)重能顯著降低人體能耗，有效提高穿戴者的負(fù)重效率。不同站立姿態(tài)能量消耗對比如圖6所示。結(jié)果顯示不穿外骨骼負(fù)重25 kg相較于不穿外骨骼無負(fù)重時能量消耗功率增加20.26%，說明在站立時負(fù)重會顯著影響能量消耗。穿戴外骨骼后站立負(fù)重相較于不穿外骨骼站立負(fù)重，能量消耗功率降低10.87%，將25 kg的負(fù)重對能量消耗帶來的影響降低一半，可以理解為在穿戴外骨骼后人體只感受到約12.5 kg的負(fù)重所帶來的對能量消耗的影響，進(jìn)一步說明該被動式負(fù)重外骨骼具有良好的承重性能。

圖6 不同站立姿態(tài)能量消耗對比

無論是降低斜方肌肌電強(qiáng)度、減輕肩部壓力，還是降低機(jī)體能耗，都說明該被動式負(fù)重外骨骼主要是通過降低斜方肌的負(fù)荷、減輕肩部壓力，達(dá)到減輕穿戴者的勞動負(fù)荷的目的。

除了斜方肌，豎脊肌也是承受站立負(fù)重的重要肌肉。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，穿戴外骨骼后負(fù)重時，其豎脊肌積分肌電值不但沒減少，反而增加了，說明穿戴外骨骼并沒有改善豎脊肌的負(fù)荷，其原因可能與穿戴外骨骼時后背負(fù)重，受試者需要將身體前傾一定角度，腰部長時間處于彎腰狀態(tài)迫使豎脊肌持續(xù)發(fā)力有關(guān)。另外，相比斜方肌，豎脊肌的肌電信號幅度更小，說明在站立負(fù)重情況下豎脊肌并沒有大量發(fā)力。通過對比站立負(fù)重25 kg與彎腰搬運(yùn)25 kg豎脊肌的肌電信號幅度，發(fā)現(xiàn)彎腰狀態(tài)豎脊肌的發(fā)力顯著大于站立負(fù)重，如圖7所示。所以，身體前傾導(dǎo)致豎脊肌肌電強(qiáng)度微量提升，但其整體用力非常小，因此外骨骼在站立負(fù)重時并沒有給人體造成明顯的負(fù)擔(dān)。

4 結(jié)語

本文針對被動式負(fù)重外骨骼進(jìn)行了站立承重性能評估，分別從物理指標(biāo)和生理指標(biāo)評估該被動式負(fù)重外骨骼，結(jié)果表明其具有良好的承重性能。該被動式負(fù)重外骨骼可減少人體在站立負(fù)重時斜方肌的肌電強(qiáng)度，降低肩部壓力，能有效緩解因長時間負(fù)重所帶來的肌肉疲勞損傷以及肩部受壓皮膚紅腫和手臂麻木的問題。此外，該被動式負(fù)重外骨骼通過降低斜方肌的負(fù)擔(dān)、減輕肩部壓力，從而達(dá)到降低站立負(fù)重時的能量消耗的效果，有效提高了穿戴者的負(fù)重效率。

需要指出的是，本文提出的評估方法僅在靜止負(fù)重條件進(jìn)行了評估，而實(shí)際的負(fù)重更多的是多步態(tài)、動態(tài)的情況，因此針對負(fù)重外骨骼承重性能的評估還需進(jìn)一步的細(xì)化和豐富評估方法。接下來將針對該被動式負(fù)重外骨骼在平路行走、陡坡行走和連續(xù)上臺階行走等動態(tài)條件下的承重性能和助力機(jī)制進(jìn)行研究。志謝 感謝重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院創(chuàng)新實(shí)踐基地、重慶市前衛(wèi)科技集團(tuán)有限公司、重慶市牛迪科技發(fā)展有限公司對本項(xiàng)目的大力支持，為本團(tuán)隊提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、受測被動式負(fù)重外骨骼和實(shí)驗(yàn)場地，使團(tuán)隊能順利進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；此外，感謝團(tuán)隊成員陳國、顏昌玲、許琨、寇治勇、張豪、趙毅陽、李俊邑參與并協(xié)助完成實(shí)驗(yàn)，特此鳴謝。