無源上肢外骨骼的基礎協(xié)調(diào)性評估

周針兵，干靜，文心雨，譙鏡樺

無源上肢外骨骼的基礎協(xié)調(diào)性評估

周針兵，干靜，文心雨，譙鏡樺

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

外骨骼能為人類運動提供輔助力，輔助人們完成更高強度的工作，在市場中的應用日益增加，解決其人機協(xié)調(diào)性問題變得尤為重要。為評估無源上肢外骨骼在三個運動平面上的基礎協(xié)調(diào)性，12名受試者模擬了3種基礎負重任務。運用光學動作捕捉設備采集受試者肩肘腕關節(jié)、腕肩髖的夾角和兩肘間距的運動數(shù)據(jù)，并使用SPSS對其進行Wilcoxon秩和檢驗，最后通過五級李克特量表問卷采集主觀評估數(shù)據(jù)，驗證主客觀結果的一致性。結果顯示，該上肢外骨骼對水平面任務的干擾較為明顯，會限制雙臂水平向后擺動；對其余運動平面的干擾較小，不影響任務的正常完成。該外骨骼的協(xié)調(diào)性有待進一步提高，主客觀結果一致，表明該方法能有效的定量評估外骨骼的協(xié)調(diào)性。

外骨骼；動作捕捉；協(xié)調(diào)性評估；運動平面

外骨骼是一種可穿戴的機械助力設備，可輔助人類完成各項任務活動，提高人們的負載能力和工作效率等。在工業(yè)4.0時代，人們對提高生產(chǎn)力有了更高的訴求，讓外骨骼成為當今的一大研究熱點。國內(nèi)外學者在該領域的技術研究也取得了大量的成果[1-5]，被廣泛應用于軍事、醫(yī)療、工業(yè)等領域[6-10]。在迎來技術革新的同時，外骨骼也迎來了人機協(xié)同的挑戰(zhàn)。常用的人機評估方法包括計算機仿真法、查表法和模糊綜合評價法等[11]。李佳璐等[12]從用戶體驗角度建立了外骨骼的舒適性綜合評價模型。孫明艷等[13]通過仿真分析驗證了一款下肢外骨骼裝置與人體行走的跟隨性，并優(yōu)化了其結構的設計參數(shù)。Maurice等[14]通過生理和心理指標評估了上肢外骨骼完成過頭頂任務的輔助效果，發(fā)現(xiàn)能有效地降低肩部的疲勞度，并且不會影響任務的完成質(zhì)量。Alabdulkarim等[15]發(fā)現(xiàn)穿戴無源外骨骼完成高精度任務時，會增加穿戴者部分肌肉的活性，同時降低任務完成質(zhì)量。目前對外骨骼的人機研究主要集中在舒適性和助力效果方面，對協(xié)調(diào)性的研究較少。

人機協(xié)調(diào)即機器不影響人的正?；顒樱桓蓴_人的正常動作，實現(xiàn)機隨人動、人機行為協(xié)調(diào)一致。外骨骼的協(xié)調(diào)性評估是產(chǎn)品投入市場前的重要環(huán)節(jié)，大部分初代外骨骼產(chǎn)品均存在一定的的人機協(xié)調(diào)問題，迫切需要相關的方法對其進行評估，以優(yōu)化外骨骼產(chǎn)品的協(xié)調(diào)性，提高產(chǎn)品的體驗感。因此，本文將模擬3種基礎任務，運用動作捕捉評估一款新型無源上肢外骨骼在三個運動平面上的基礎協(xié)調(diào)性。

1 實驗設計及方法

實驗選用一款新型無源消防上肢外骨骼，該外骨骼能為消防員提供輔助力，輔助消防員完成各項高強度消防任務。由于消防任務復雜多樣，消防動作無典型性。因此本次實驗將消防動作分解為在冠狀面、矢狀面和水平面上的基礎運動，模擬了3種基礎任務，運用光學動作捕捉設備采集穿戴外骨骼前后的客觀運動數(shù)據(jù)，然后使用五級李克特量表采集主觀評價數(shù)據(jù)，驗證主客觀的一致性，以評估該無源上肢外骨骼的協(xié)調(diào)性，為其協(xié)調(diào)性的改進提供定量參考。

1.1 實驗設備

1.1.1 無源上肢外骨骼

如圖1所示，自重6 kg，適用身高范圍為165～180 cm，主要用于協(xié)助消防員完成各項消防任務，為消防員提供輔助力，提升消防員的的負載能力和體能極限，具體穿戴效果圖如圖2所示。

圖1 無源上肢外骨骼示意圖

圖2 穿戴效果圖

1.1.2 光學動作捕捉設備

選用NOKOV度量光學三維動作捕捉儀作為本次實驗的客觀數(shù)據(jù)采集設備，采樣頻率為60 幀/s。在受試者雙側(cè)的肩關節(jié)、肘關節(jié)、腕關節(jié)和髖關節(jié)粘貼Mark點，以采集兩肘間距的變化、雙側(cè)腕肩髖的夾角數(shù)據(jù)和雙側(cè)肩肘腕關節(jié)處的速度以及加速度變化，共計粘貼8個點，如圖3所示。

圖3 Mark點粘貼示意圖

1.2 受試者選擇

該上肢外骨骼是一款針對消防員而設計的產(chǎn)品，因此選擇男性作為實驗對象。共選擇了12名健康男性（慣用右手）完成本次試驗，年齡為22.5±2歲，身高為174±3.8 cm，體重為65.7±5.6 kg。

1.3 實驗設計

1.3.1 實驗準備

實驗區(qū)域共安裝8個攝像頭，如圖4所示，在實驗區(qū)域用黃色膠帶圍成3.2×2.5 m的長方形，標記中心點，讓受試者站在中心點，根據(jù)節(jié)拍器節(jié)奏執(zhí)行任務，1個節(jié)拍間隔為1.5 s。任務開始前，讓受試者穿戴熟悉無源上肢外骨骼和實驗任務，并進行節(jié)拍訓練，當受試者完全熟悉節(jié)拍和實驗任務后正式開始實驗。

圖4 動作捕捉場景示意圖

1.3.2 任務描述

在穿戴/未穿戴無源上肢外骨骼條件下，模擬了冠狀面、矢狀面和水平面上的3種基礎負重任務。雙手各負重2.5 kg啞鈴，用以等效消防工具重量。因受試者并未受過專業(yè)的消防訓練，所以在實驗開始前安排了預實驗。根據(jù)預實驗的反饋，設置了合適的任務強度。受試者在負重情況下根據(jù)節(jié)拍完成指定任務，每種任務采集25次動作，每完成一種任務休息2 min，直至完成所有任務。

（1）側(cè)平舉任務（冠狀面）：雙手各持一只啞鈴，身體直立。手臂自然下垂，掌心相對。根據(jù)節(jié)拍，將啞鈴向身體兩側(cè)平舉，直至手臂與地面平行，然后將手臂恢復至初始自然下垂位置，整個過程手臂起落各占1個節(jié)拍，1個節(jié)拍1.5 s，1次動作共2個節(jié)拍。共采集25次動作，完成任務后休息2 min。

（2）過頂前平舉任務（矢狀面）：身體直立，雙手各持一只啞鈴，手臂在身體前方自然下垂，根據(jù)節(jié)拍，以手臂為半徑做圓弧運動，將啞鈴舉過頭頂至最高點，然后原路降回起始位置。動作節(jié)拍間隔和采集次數(shù)同（1）。

（3）水平擴胸任務（水平面）：身體直立，雙手各持一只啞鈴，將掌心放在自己的胸前，并保持手臂與地面平行，根據(jù)節(jié)拍，兩臂用力向后擺動，到達最大位置后，向前恢復至起始位置。動作節(jié)拍間隔和采集次數(shù)同（1）。

1.3.3 數(shù)據(jù)采集與分析

實驗采集了受試者完成任務時的各項客觀運動數(shù)據(jù)和完成任務后的主觀評價數(shù)據(jù)。任務（1）（2）采集受試者雙側(cè)腕肩髖的夾角數(shù)據(jù)和雙側(cè)肩肘腕關節(jié)處的速度以及加速度，任務（3）采集受試者兩肘的運動間距和雙側(cè)腕肩髖的夾角數(shù)據(jù)和雙側(cè)肩肘腕關節(jié)處的速度以及加速度，然后通五級李克特過量表獲取受試者對上肢外骨骼的主觀協(xié)調(diào)性評分。截去動捕首末3 s的數(shù)據(jù)，以避免實驗開始和結束時運動的不穩(wěn)定對數(shù)據(jù)結果造成影響。使用SPSS 21.0對數(shù)據(jù)進行Shapiro-Wilk正態(tài)檢驗，結果顯示數(shù)據(jù)為非正態(tài)分布，因此選用非參數(shù)Wilcoxon秩和檢驗分析受試者穿戴/未穿戴無源上肢外骨骼時運動數(shù)據(jù)的顯著性差異，顯著性水平設為＜0.05，然后結合采集的主觀評價數(shù)據(jù)，驗證主客觀的一致性。

2 數(shù)據(jù)結果

2.1 客觀運動數(shù)據(jù)結果

在受試者穿戴/未穿戴無源上肢外骨骼條件下，通過動作捕捉設備，采集了受試者完成負重側(cè)平舉任務和過頂前平舉任務時的肩肘腕速度、加速度和腕肩髖夾角的數(shù)據(jù)，以及完成水平擴胸任務時的肩肘腕速度、加速度和兩肘間距的數(shù)據(jù)。

2.1.1 顯著性差異結果

記右腕肩髖夾角為RWA，左腕肩髖夾角為LWA，下角標1表示穿戴外骨骼，0表示未穿戴外骨骼，RWA1-RWA0表示穿戴外骨骼時右腕肩髖夾角與未穿戴外骨骼時右腕肩髖夾角的配對組。記兩肘間距為ED，右肩關節(jié)、右肘關節(jié)、右腕關節(jié)為RS、RE、RW，左肩關節(jié)、左肘關節(jié)、左腕關節(jié)為LS、LE、LW，按照上述標記法完成各配對組的標記。

該無源上肢外骨骼對腕肩髖夾角和兩肘間距的影響，如表1所示。在側(cè)平舉任務和過頂前平舉任務中，穿戴該上肢外骨骼均對腕肩髖夾角無顯著性差異。在水平擴胸任務中，對兩肘間距有顯著性差異。

無源上肢外骨骼對肩肘腕關節(jié)速度的影響，如表2所示。在側(cè)平舉任務中，穿戴該上肢外骨骼僅對右肩關節(jié)速度和左肘關節(jié)速度有顯著性差異。在過頂前平舉任務中，僅對右肘關節(jié)速度有顯著性差異。在水平擴胸任務中，顯著性差異較為明顯，對右肩關節(jié)、右肘關節(jié)、左肩關節(jié)和左腕關節(jié)的速度均有顯著性差異，僅對右腕關節(jié)速度和左肘關節(jié)速度無顯著性差異。

表1 腕肩髖夾角和兩肘間距顯著性水平

注：*表示＜0.05，具有顯著性差異。

表2 肩肘腕關節(jié)速度顯著性水平

注：*表示＜0.05，具有顯著性差異。

無源上肢外骨骼對肩肘腕關節(jié)加速度的影響，如表3所示。在側(cè)平舉任務中，穿戴該上肢外骨骼僅對左肘關節(jié)加速度有顯著性差異。在過頂前平舉任務中，僅對右肘關節(jié)加速度有顯著性差異。在水平擴胸任務中，顯著性差異較為明顯，僅對右腕關節(jié)和左肩關節(jié)加速度無顯著性差異，對其與關節(jié)點速度均有顯著性差異。

表3 肩肘腕關節(jié)加速度顯著性水平

注：*表示＜0.05，具有顯著性差異。

2.1.2 運動數(shù)據(jù)變化趨勢結果

如圖5所示，在側(cè)平舉任務中，穿戴該上肢外骨骼降低了雙側(cè)膝腕肩髖夾角，右腕肩髖夾角降低了3.29%，左腕肩髖夾角降低了0.91%。雙臂肩肘腕關節(jié)點的速度和加速度均呈下降的趨勢。各關節(jié)速度的整體變化范圍為-15.22%～-2.56%，速度下降最大的為左肩關節(jié)速度（-15.22%）；加速度方面，整體變化范圍為-4.72%～-0.09%，加速度下降最大的為左肩關節(jié)（-4.72%）。詳細變化趨勢見圖5，*表示該組存在顯著性差異，＜0.05。誤差線表示該組數(shù)據(jù)的標準差。

圖5 側(cè)平舉任務運動數(shù)據(jù)

如圖6所示，在過頂前平舉任務中，穿戴該上肢外骨骼降低了雙側(cè)膝腕肩髖夾角，右腕肩髖夾角降低了3.68%，左腕肩髖夾角降低了4.43%。雙臂肩肘腕關節(jié)點的速度和加速度均呈下降的趨勢。各關節(jié)速度的整體變化范圍為-14.41%～-5.42%，速度下降最大的為左肩關節(jié)速度（-14.41%）；加速度方面，整體變化范圍為-7.16%～-1.47%，加速度下降最大為左腕關節(jié)（-4.72%）。詳細變化趨勢見圖6，*表示該組存在顯著性差異，＜0.05。

圖6 過頂前平舉任務運動數(shù)據(jù)

如圖7所示，在水平擴胸任務中，穿戴該上肢外骨骼使兩肘間距增加，增加了17.62%。雙臂肩肘腕關節(jié)點的速度和加速度以下降趨勢為主。各關節(jié)速度的整體變化范圍為-10.55%～25.91%，僅右肩關節(jié)和左肩關節(jié)的速度有所增加，右肩關節(jié)速度增加值為25.91%，左肩關節(jié)增加值為21.50%。其余關節(jié)點速度均表現(xiàn)為下降，速度下降最大的為左肘關節(jié)（-10.55%）；在加速度方面，整體變化范圍為-34.82%～25.71%，僅右肩關節(jié)加速度有所增加，增加值為25.71%。其余關節(jié)點加速度均表現(xiàn)為下降，加速度下降最大為左腕關節(jié)（-34.82%）。變化趨勢見圖7，*表示該組存在顯著性差異，＜0.05。

圖7 水平擴胸任務運動數(shù)據(jù)

2.2 主觀量表數(shù)據(jù)結果

在任務結束后，使用五級李克特量表采集受試者的主觀協(xié)調(diào)性評價數(shù)據(jù)。評分采用5分制，分數(shù)越高代表主觀協(xié)調(diào)性越好。在主觀評分中，側(cè)平舉任務的協(xié)調(diào)性評分為3.42±0.79，過頂前平舉任務的協(xié)調(diào)性評分為3.50±0.52，水平擴胸任務評分為2.33±0.49，對產(chǎn)品的整體協(xié)調(diào)性接受度評分為3.75±0.45。在完成量表評價后，對受試者進行了補充訪問。受試者均表示在完成側(cè)平舉和過頂前平舉任務時，該上肢外骨骼帶來的干擾較小，不影響任務的正常完成。但在完成水平擴胸任務時，上肢外骨骼的干擾較明顯，需要調(diào)整姿勢克服外骨骼帶來的干擾。具體評分趨勢，如圖8所示。

圖8 主觀評價數(shù)據(jù)

3 討論

3.1 客觀運動數(shù)據(jù)分析

在客觀運動數(shù)據(jù)結果中，各項任務的運動數(shù)據(jù)呈現(xiàn)不同程度的顯著性差異。穿戴/未穿戴該上肢外骨骼完成負重側(cè)平舉和過頂前平舉任務時，腕肩髖的夾角數(shù)據(jù)均無顯著性差異，僅少數(shù)關節(jié)的速度和加速度存在顯著性差異，表明穿戴該上肢外骨骼對冠狀面和矢狀面的運動干擾較小，協(xié)調(diào)性較好。在水平擴胸任務中，各運動數(shù)據(jù)的顯著性差異組數(shù)遠大于側(cè)平舉任務和過頂前平舉任務，表明穿戴上肢外骨骼對水平面運動的干擾大于對冠狀面和矢狀面運動的干擾。

從運動數(shù)據(jù)的變化趨勢上看，穿戴該上肢外骨骼完成負重側(cè)平舉和過頂前平舉任務時，各項運動數(shù)據(jù)均呈下降趨勢，但各數(shù)據(jù)的顯著性差異組數(shù)較少，表明該下降趨勢對運動存在一定的影響，但影響較小。在水平擴胸任務中，穿戴外骨骼增加了水平擴胸時兩肘的間距，且表現(xiàn)出顯著性差異，表明穿戴外骨骼限制了水平擴胸時的后擺運動。在該任務中，各關節(jié)運動數(shù)據(jù)的增減趨勢并不完全一致，且顯著性差異組數(shù)明顯增多，表明穿戴者在完成水平擴胸任務時受到了上肢外骨骼較大的干擾，產(chǎn)生了不協(xié)調(diào)運動，在水平面的協(xié)調(diào)性較差。導致這一現(xiàn)象的原因可能與該上肢外骨骼的連桿結構設計有關。在水平向后運動時，連桿發(fā)生位置干涉，導致水平方向產(chǎn)生不協(xié)調(diào)運動，從而干擾整個水平擴胸任務。

3.2 主觀評價數(shù)據(jù)分析

在主觀協(xié)調(diào)性評價中，水平擴胸任務的協(xié)調(diào)性評分最低，平均分僅為2.33分，受試者表示能明顯察覺到上肢外骨骼帶來的干擾。該結果與客觀運動數(shù)據(jù)結果一致，均表現(xiàn)穿戴外骨骼在水平面的協(xié)調(diào)性較差。除水平擴胸任務外，其余各項協(xié)調(diào)性評價分數(shù)均在3分以上。側(cè)平舉和過頂前平舉的協(xié)調(diào)性平均分分別為3.42分和3.50分，受試者表示上肢外骨骼帶來的影響較小，不會影響任務的正常完成。受試者對該外骨骼整體協(xié)調(diào)接受度的平均分為3.75分，表現(xiàn)為較能接受，但整體協(xié)調(diào)性的滿意度有待進一步提高。

4 結論

該上肢外骨骼在冠狀面、矢狀面的協(xié)調(diào)性較好，在水平面的協(xié)調(diào)性較差，整體協(xié)調(diào)性有待進一步提高。主客觀數(shù)據(jù)評價結果一致，運用動作捕捉可以有效的定量評估無源上肢外骨骼的協(xié)調(diào)性，減少協(xié)調(diào)性評估的主觀臆斷，為協(xié)調(diào)性改進提供定量的設計參考。實驗評估了在3個運動平面上，穿戴上肢外骨骼完成相應基礎動作的協(xié)調(diào)性，但這些基礎動作均為對稱運動，該外骨骼對非對稱運動協(xié)調(diào)性的影響還需做進一步研究。未來將還原更真實的消防作業(yè)環(huán)境，更全面地評估穿戴該無源消防上肢外骨骼在完成綜合任務時的協(xié)調(diào)性。

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Basic Coordination Assessment of Passive Upper Extremity Exoskeleton

ZHOU Zhenbing，GAN Jing，WEN Xinyu，QIAO Jinghua

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University, Chengdu610065, China )

Exoskeleton can provide auxiliary force for human movement and assist people to complete higher-intensity work. Its application in the market is increasing. Solving the problem of human-machine coordination becomes particularly important. To assess the basic coordination of the passive upper extremity exoskeleton on the three planes of motion, 12 subjects simulated 3 basic weight-bearing tasks. Use optical motion capture equipment to collect the motion data of the subjects' shoulder, elbow, wrist, Wrist shoulder hip angles, and the distance between the two elbows, and use SPSS to perform Wilcoxon rank sum test on them, and finally collect subjectiveness through the five-level Likert scale questionnaire Evaluate the data to verify the consistency of subjective and objective results. The results showed that the upper extremity exoskeleton interfered significantly with the horizontal plane task, which would restrict the horizontal back swing of the arms; the interference on the rest of the motion plane was small, and it did not affect the normal completion of the task. In conclusion, the coordination of the exoskeleton needs to be further improved, and the subjective and objective results are consistent, indicating that this method can effectively quantitatively evaluate the coordination of the exoskeleton.

exoskeleton；motion capture；coordination evaluation；motion plane

TB18

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2022.04.013

1006-0316 (2022) 04-0074-07

2021-11-15

軍工橫向項目JG2021016（HG2021009）

周針兵（1996－），男，四川廣安人，碩士研究生，主要研究方向為人機包容性設計、工業(yè)設計，E-mail：1762922700@qq.com；干靜（1968－），女，重慶人，博士研究生，教授，主要研究方向為人機包容性設計、計算機輔助工業(yè)設計、機械設計等。