外骨骼機(jī)器人助力效率測(cè)試技術(shù)研究

趙明升，宋遒志，劉亞麗，馬珮冬

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京100081；2.北京體育大學(xué)運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，北京100084）

1 引言

近年來，隨著外骨骼機(jī)器人研究的不斷深入，外骨骼機(jī)器人助力效率的測(cè)試尤為重要。攝氧量作為人體代謝能量的主要指標(biāo)之一，在外骨骼機(jī)器人助力助行評(píng)估方面應(yīng)用廣泛，國(guó)內(nèi)外很多研究人員和研究機(jī)構(gòu)都將攝氧量作為評(píng)價(jià)外骨骼機(jī)器人性能好壞的指標(biāo)之一，例如美國(guó)陸軍納蒂克士兵研究、研發(fā)與工程中心、美國(guó)麻省理工學(xué)院極端仿生學(xué)中心和比利時(shí)根特大學(xué)運(yùn)動(dòng)與體育科學(xué)系等［1-3］。但是，由于在測(cè)試過程中影響攝氧量變化的因素很多，不同的測(cè)試方案和測(cè)試條件會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果存在差異，文獻(xiàn)［1］研究了使用下肢外骨骼攜帶負(fù)荷對(duì)代謝成本的影響，發(fā)現(xiàn)與不穿戴外骨骼相比，穿戴外骨骼后，人體的攝氧量隨著負(fù)載重量的增加而顯著增加；文獻(xiàn)［4］設(shè)計(jì)了一款欠驅(qū)動(dòng)外骨骼，研究發(fā)現(xiàn)與不穿戴外骨骼背負(fù)重物相比，穿戴外骨骼背負(fù)重物后代謝成本增加了74%；文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)了一種無動(dòng)力踝關(guān)節(jié)外骨骼，測(cè)試發(fā)現(xiàn)在自然條件下，該外骨骼使健康的人類使用者的行走代謝成本降低了7.2%；文獻(xiàn)［2］研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)穿上由電池供電的雙側(cè)踝關(guān)節(jié)外骨骼行走時(shí)，與不使用外骨骼行走相比，受試者的凈代謝成本降低了11%。

在行走過程中，人體會(huì)消耗代謝能量，改變行走過程中的一些因素，例如行走速度、行走坡度等，人體的代謝能量消耗也會(huì)隨之改變。文獻(xiàn)［6］研究受試者在跑步機(jī)上以不同坡度、不同運(yùn)動(dòng)速度背負(fù)不同負(fù)載重量進(jìn)行行走，使用氧氣分析儀測(cè)試受試者的氧氣濃度，發(fā)現(xiàn)隨著坡度、運(yùn)動(dòng)速度和負(fù)載重量的增加，人體的代謝能量消耗增加。文獻(xiàn)［7］研究了攜帶負(fù)載對(duì)代謝能量消耗的影響，通過呼吸測(cè)量法測(cè)試了8名成年人背負(fù)不同的背包負(fù)載（負(fù)載重量最高可達(dá)體重的40%）以恒定速度行走時(shí)的代謝能量消耗，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)測(cè)量值隨著負(fù)載重量的增加而近似線性增加。還有一些研究也表明了代謝能量消耗隨著負(fù)載重量的增加而增加［8-9］。

因此，為了探究不同因素如何影響攝氧量，減小在助力效率測(cè)試過程中測(cè)試方案和測(cè)試條件對(duì)人體運(yùn)動(dòng)攝氧量的影響，并且促進(jìn)攝氧量指標(biāo)在外骨骼機(jī)器人性能評(píng)估方面形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也為了研究心率隨著這些因素改變的變化情況，這里開展了在行走過程中改變跑步機(jī)的坡度、負(fù)載重量和呼吸方式等因素對(duì)人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率的影響的研究。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

這里設(shè)計(jì)了包括重復(fù)性、坡度、負(fù)載重量和呼吸方式等測(cè)試，分析研究人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率與測(cè)試條件變化情況的關(guān)系，測(cè)試目的和具體測(cè)試內(nèi)容，如表1所示。表中：n—參與測(cè)試的人數(shù)。

表1 測(cè)試目的和具體測(cè)試內(nèi)容Tab.1 Test Objectives and Details

2.1 受試者和測(cè)試儀器

本實(shí)驗(yàn)招募9名健康的成年人參加這項(xiàng)研究（N=9，9名男性；年齡=（23.9±1.6）歲；身高=（1.75±0.04）m；體重=（66.8±8.6）kg；平均值±標(biāo)準(zhǔn)差），所有受試者在測(cè)試之前都收到了書面知情同意書，并且均同意參加該項(xiàng)研究，期間一些受試者因時(shí)間等原因缺席了一些測(cè)試。該研究得到了北京體育大學(xué)道德倫理委員會(huì)的批準(zhǔn)。

在測(cè)試過程中使用MetaMax 3B 氣體分析儀和polar 表對(duì)受試者的攝氧量和心率進(jìn)行采集與分析。

2.2 測(cè)試流程

在測(cè)試開始之前，受試者需在跑步機(jī)上進(jìn)行適應(yīng)性行走，直至適應(yīng)和熟悉跑步機(jī)節(jié)奏。測(cè)試過程中，首先需監(jiān)測(cè)受試者在安靜坐姿狀態(tài)下（空載，即靜息狀態(tài)）5min內(nèi)的攝氧量和心率，靜息狀態(tài)結(jié)束后開始進(jìn)行在跑步機(jī)上的行走測(cè)試，行走測(cè)試過程中監(jiān)測(cè)受試者的攝氧量和心率，行走測(cè)試完成后再繼續(xù)進(jìn)行靜息8min時(shí)的攝氧量和心率的監(jiān)測(cè)，整個(gè)測(cè)試流程，如圖1所示。每位受試者分別進(jìn)行重復(fù)性、坡度、負(fù)載重量和呼吸方式等4種行走測(cè)試，具體測(cè)試內(nèi)容，如表1所示。每種測(cè)試間間隔48h以上進(jìn)行。測(cè)試過程圖片，如圖2所示。

圖1 測(cè)試流程Fig.1 Test Process

圖2 測(cè)試過程圖片F(xiàn)ig.2 Test Process Pictures

2.3 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于攝氧量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算運(yùn)動(dòng)前靜息5min和運(yùn)動(dòng)過程中最后5min攝氧量數(shù)據(jù)的平均值，來計(jì)算每次測(cè)試中行走時(shí)期的凈攝氧量，并通過體重（kg）和總重（受試者的體重+負(fù)載重量，kg）對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化（net VO2BM為通過體重標(biāo)準(zhǔn)化后的凈攝氧量數(shù)據(jù)；net VO2TM為通過總重標(biāo)準(zhǔn)化后的凈攝氧量數(shù)據(jù)），凈攝氧量的計(jì)算公式，如式（1）所示。

對(duì)于心率數(shù)據(jù)，計(jì)算受試者在跑步機(jī)上運(yùn)動(dòng)過程中最后5min數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行分析。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 重復(fù)性測(cè)試

重復(fù)性測(cè)試的數(shù)據(jù)通過SPSS 軟件的單因素方差分析和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)（ICC）進(jìn)行檢驗(yàn)，通過單因素方差分析可以確定各個(gè)測(cè)量值之間是否存在顯著性差異，通過組內(nèi)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)可確定各個(gè)測(cè)量值之間的一致性和可靠性。在進(jìn)行單因素方差分析之前，需要調(diào)整分析數(shù)據(jù)，使其具有正態(tài)分布性、方差齊性，以及各個(gè)測(cè)量值之間具有相互獨(dú)立性［10］。對(duì)于單因素方差分析，經(jīng)過檢驗(yàn)，攝氧量和心率數(shù)據(jù)均具有正態(tài)分布性和方差齊性，并且由于分析的是凈攝氧量數(shù)據(jù)，所以認(rèn)為各個(gè)數(shù)據(jù)之間相互獨(dú)立。攝氧量和心率數(shù)據(jù)的單因素方差分析檢驗(yàn)結(jié)果和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果，如表2 所示。攝氧量數(shù)據(jù)的顯著性水平P=0.975>0.05，心率數(shù)據(jù)的顯著性水平P=0.747>0.05，認(rèn)為三次測(cè)量之間不存在顯著性差異；攝氧量數(shù)據(jù)的ICC 系數(shù)為0.674，心率數(shù)據(jù)的ICC系數(shù)為0.748，均在（0.6～0.8）之間，屬于中等一致性。

表2 攝氧量和心率數(shù)據(jù)的單因素方差分析Tab.2 ANOVA of Oxygen Uptake and Heart Rate Data

3.2 坡度測(cè)試

0°和10°坡度下受試者在跑步機(jī)上行走時(shí)的攝氧量和心率數(shù)據(jù)，分別如表3和圖3所示。從圖表中數(shù)據(jù)可以看出，10°坡度時(shí)和數(shù)據(jù)與0°坡度相比增加了121%，心率數(shù)據(jù)增加了36%。

表3 2種坡度下攝氧量和心率數(shù)據(jù)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.3 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

圖3 2種坡度下攝氧量和心率數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

3.3 負(fù)載重量測(cè)試

2種不同的坡度（0°和5°）下受試者的攝氧量和心率數(shù)據(jù)，如表4、表5 和圖4 所示。從圖表中的數(shù)據(jù)可以看出，0°坡度下和心率數(shù)據(jù)隨著負(fù)載重量的增加近似線性增加，而數(shù)據(jù)則幾乎不變；5°坡度下全部攝氧量和心率數(shù)據(jù)均隨著負(fù)載重量的增加而線性增加；同時(shí)5°坡度下全部攝氧量和心率數(shù)據(jù)均比0°坡度下的數(shù)據(jù)大。

圖4 5種負(fù)載重量下下受試者的攝氧量和心率數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.4 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate Under Five Load Weights

表4 0°坡度下攝氧量和心率數(shù)據(jù)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.4 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 0°Gradient

表5 5°坡度下攝氧量和心率數(shù)據(jù)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.5 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 5° Gradient

對(duì)2種坡度下的攝氧量和心率數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果為攝氧量數(shù)據(jù)的P=0，心率數(shù)據(jù)的P=0，均<0.05，認(rèn)為2種坡度下測(cè)得的攝氧量和心率數(shù)據(jù)存在顯著性差異。

3.4 呼吸方式測(cè)試

正常呼吸（Normal Breathing，NB）和憋氣呼吸（Without Breath?ing，WB）2種呼吸方式下受試者的攝氧量和心率數(shù)據(jù)，如表6和圖5所示。從圖表中數(shù)據(jù)可以看出，憋氣呼吸時(shí)攝氧量數(shù)據(jù)與正常呼吸相比增加了25%，心率數(shù)據(jù)增加了7%。

圖5 2種呼吸方式下攝氧量和心率數(shù)據(jù)的對(duì)比Fig.5 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate at two Breathing Patterns

表6 2種呼吸方式下攝氧量和心率數(shù)據(jù)的平均值（標(biāo)準(zhǔn)差）Tab.6 Means（SD）of Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Breathing Patterns

4 討論與分析

本研究指在研究在外骨骼機(jī)器人助力效率測(cè)試過程中不同的影響因素對(duì)人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率的影響。正式測(cè)試前先進(jìn)行重復(fù)性測(cè)試，根據(jù)重復(fù)性測(cè)試的結(jié)果，通過單因素方差分析得到攝氧量數(shù)據(jù)的顯著性水平P=0.975>0.05，心率數(shù)據(jù)的顯著性水平P=0.747>0.05，所以可判斷三次重復(fù)性測(cè)量結(jié)果之間不存在顯著性差異，而后又通過組內(nèi)相關(guān)系數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的一致性進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)攝氧量數(shù)據(jù)的單個(gè)測(cè)量的ICC系數(shù)為0.674，心率數(shù)據(jù)的單個(gè)測(cè)量的ICC系數(shù)為0.748，均在（0.6～0.8）之間，屬于中等一致性，所以可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法是可重復(fù)的，能避免偶然現(xiàn)象，使單次測(cè)量結(jié)果真實(shí)準(zhǔn)確。根據(jù)坡度測(cè)試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在10°坡度的跑步機(jī)上行走時(shí)，與0°坡度相比，受試者的攝氧量和心率均大幅度增加，這證實(shí)了提升行走時(shí)跑步機(jī)的坡度會(huì)使人體消耗更多的能量這一結(jié)論，該結(jié)果與文獻(xiàn)［6］的研究結(jié)果一致。

根據(jù)負(fù)載重量測(cè)試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在5°坡度行走時(shí)全部攝氧量和心率數(shù)據(jù)都高于在0°坡度行走時(shí)的數(shù)據(jù)，這與前面進(jìn)行的坡度測(cè)試的結(jié)果相同。同時(shí)進(jìn)行0°坡度測(cè)試時(shí)net VO2、net VO2BM和心率數(shù)據(jù)以及進(jìn)行5°坡度測(cè)試時(shí)全部攝氧量和心率數(shù)據(jù)均隨負(fù)載重量的增加而近似線性增加，該結(jié)論與其他的一些研究［6-9］的結(jié)果一致。經(jīng)過獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，攝氧量數(shù)據(jù)的P=0，心率數(shù)據(jù)的P=0，均小于0.05，認(rèn)為2種坡度下測(cè)得的攝氧量和心率數(shù)據(jù)存在顯著性差異。從圖4中數(shù)據(jù)曲線的變化趨勢(shì)可以看出，5°坡度測(cè)試時(shí)攝氧量和心率數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)比0°坡度測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)更具有一致性。根據(jù)呼吸方式測(cè)試的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)憋氣呼吸時(shí)，與正常呼吸相比，受試者的攝氧量和心率數(shù)據(jù)均有所增加，結(jié)果證明當(dāng)人體憋氣呼吸時(shí)，其攝氧量和心率較正常呼吸時(shí)會(huì)有所提升，該結(jié)果與先前假想的憋氣會(huì)降低人體的攝氧量水平的結(jié)果不符。

5 結(jié)論

本研究測(cè)試了在行走過程中包括跑步機(jī)的坡度、負(fù)載重量以及呼吸方式等不同因素對(duì)人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率的影響，通過分析總結(jié)測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行攝氧量和心率的測(cè)試時(shí)，跑步機(jī)坡度與負(fù)載重量對(duì)人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率的影響顯著，并且在坡度運(yùn)動(dòng)過程中，人體運(yùn)動(dòng)攝氧量和心率變化隨負(fù)載重量的增加呈現(xiàn)一致性的變化規(guī)律。此外，運(yùn)動(dòng)過程中憋氣的呼吸方式會(huì)引起代謝能量的增加。除了上述影響因素外，還有一些其它影響因素也會(huì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)攝氧量和心率產(chǎn)生影響，例如人體行走過程中擺臂幅度、步長(zhǎng)步寬以及負(fù)載背負(fù)方式等。同時(shí)由于測(cè)試條件和測(cè)試人員等因素的影響，本項(xiàng)目中有些測(cè)試開展的不到位，還需進(jìn)一步的深入研究，例如進(jìn)行坡度測(cè)試時(shí)增加一些坡度等級(jí)，再觀察分析其變化情況；測(cè)試是在光滑平坦的跑步機(jī)上進(jìn)行的，這跟實(shí)際的平地環(huán)境不同；測(cè)試的負(fù)載重量最大值為20kg，大概占體重的30%左右，如果條件允許還需增大負(fù)載重量。