氣動(dòng)腰部助力外骨骼在重復(fù)搬抬任務(wù)中對(duì)腰背疲勞的影響

尹鵬　楊靚　石磊　楊銘　王松利　蘇天池

摘要：為探討輔助裝置是否可以減少重復(fù)性搬抬任務(wù)期間下背部肌肉的活動(dòng)或疲勞，開(kāi)發(fā)了一種使用氣動(dòng)肌肉來(lái)減輕下背部壓力的可穿戴動(dòng)力輔助裝置。記錄受試者在15分鐘內(nèi)進(jìn)行90次提升時(shí)豎脊肌的肌電圖（胸椎第9椎和腰椎第3椎）、心率和Borg感知運(yùn)動(dòng)量表評(píng)分。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用可穿戴式動(dòng)力輔助裝置進(jìn)行搬抬前后，胸椎和腰椎豎脊肌的肌電波幅值分別增加32.45%和40.17%；不使用時(shí)則分別增加125.78%和85.90%。佩戴胸椎（2.72%vs7.45%）和腰椎（3.91%vs13.70%）豎脊肌輔助裝置時(shí)，肌電圖中位頻率從提升開(kāi)始到結(jié)束的下降幅度顯著降低，心率和Borg量表評(píng)分的變化也顯著下降（p＜0.05）。結(jié)果表明，與不使用相比，使用可穿戴式動(dòng)力輔助裝置可減少背部肌肉收縮，這可能會(huì)減少整個(gè)搬抬過(guò)程中背部肌肉的疲勞程度。

關(guān)鍵詞：腰痛；輔助裝置；肌肉疲勞；重復(fù)提升；肌電圖

中圖分類號(hào)：TG156 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.04.009

文章編號(hào)：1006-0316 （2023） 04-0059-10

Effect of Pneumatic Waist Assisted Exoskeleton on Lumbar and Back Fatigue

During Repeated Lifting Tasks

YIN Peng1，2，YANG Liang1，SHI Lei2，YANG Ming2，WANG Songli3，SU Tianchi2

（ 1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou

510640， China; 2.CVTE Central Research Institute of CVTE Electronic Technology Co.， Ltd.， Guangzhou

510640， China; 3.School of Sports Human Science， Beijing Sport University， Beijing 100084， China ）

Abstract：This study is to investigate whether the auxiliary device can reduce lower back muscle activity or fatigue during repetitive lifting tasks. A wearable pneumatic muscle assisted device is developed to relieve lower back fatigues. Electromyography （T9 level of thoracic spine and L3 level of lumbar spine）， heart rate and Borg Perceptual Motor Scale score were recorded during 90 elevations within 15 minutes. The results showed that the amplitude of EMG increased by 32.45% and 40.17% respectively in the thoracic and lumbar spine muscles before and after lifting with the wearable pneumatic muscle assisted device， while the increase ratio is 125.78% and 85.90% without using the device. When wearing the assisted devices of thoracic spine （2.72% vs 7.45%） and lumbar spine （3.91% vs 13.70%） ， the median frequency of EMG decreased significantly from the beginning to the end of the elevation， and the changes of heart rate and Borg score also decreased significantly （P＜0.05） . The results show that the use of wearable pneumatic muscle assisted device reduces back muscle contractions， which may reduce back muscle fatigue throughout the lifting process.

Key words：low back pain；assisted device；muscle fatigue；repetitive lifting；electromyography

腰背痛是常見(jiàn)的職業(yè)病，多達(dá)70%～85%的工人在其職業(yè)生涯中至少經(jīng)歷過(guò)一次急性腰背痛[1-2]。研究表明，腰背痛已成為45歲以下工人中最常見(jiàn)的職業(yè)性肌肉骨骼疾病[3]。腰背痛經(jīng)常導(dǎo)致工人請(qǐng)病假甚至殘疾，給企業(yè)和個(gè)人帶來(lái)沉重負(fù)擔(dān)[4]。在美國(guó)，由于腰背痛導(dǎo)致的直接與間接損失每年超過(guò)1000億美元[5]。重復(fù)性的搬抬重物是導(dǎo)致腰背痛產(chǎn)生的主要因素[6-7]。盡管人們對(duì)人體工程學(xué)的認(rèn)知在不斷提高，但腰背痛的發(fā)病率并沒(méi)有下降[3]。工人們?nèi)匀恍枰l繁地進(jìn)行搬抬重物工作，長(zhǎng)時(shí)間的軀干彎曲和扭轉(zhuǎn)急劇地增加了腰背痛產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[8-9]。

與腰背痛的醫(yī)學(xué)治療方式不同，外骨骼作為一種可穿戴裝置，可以通過(guò)輔助人體的肌肉關(guān)節(jié)來(lái)減少搬抬重物工作對(duì)人體肌肉骨骼系統(tǒng)的影響[10]。在人工物料搬運(yùn)任務(wù)中，起重機(jī)、起吊葫蘆、叉車和其他機(jī)械設(shè)備等工具可減少工人罹患腰背痛的可能性，但這類工具常用于人力難以承受的搬運(yùn)情況。當(dāng)負(fù)重重量在人類能力范圍內(nèi)時(shí)，這些設(shè)備會(huì)很少使用[11]。在工業(yè)領(lǐng)域中，護(hù)腰帶一度非常流行，認(rèn)為其可降低腰背痛的發(fā)生幾率，但并沒(méi)有依據(jù)可證明護(hù)腰帶具有減少職業(yè)性肌肉骨骼疾病或預(yù)防工人腰背痛的作用[12-13]，并且這些護(hù)腰帶的使用未得到美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的批準(zhǔn)[14]。后來(lái)，加拿大皇后大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種無(wú)源腰部助力外骨骼（Personal Lift Augmentation Device，PLAD），它由穿戴者在彎腰過(guò)程中儲(chǔ)存能量，并在直立過(guò)程中釋放能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體腰部的助力[3，15]。阿姆斯特丹大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種被動(dòng)外骨骼，利用腰部彈性元件中能量的儲(chǔ)存和釋放，為人體的下背部肌肉提供助力[16]。

外骨骼可分為有源外骨骼與無(wú)源外骨骼[17]。 PLAD和Laevo均屬無(wú)源外骨骼，無(wú)需外部電源即可工作。研究表明，PLAD可以顯著減少人體下背部肌肉疲勞，降低穿戴者患腰背痛的風(fēng)險(xiǎn)[18-19]。當(dāng)工人執(zhí)行搬抬任務(wù)時(shí)，Laevo可以將人體的下背部肌肉活動(dòng)減少35%～38%[16]。Huysamen[8]開(kāi)發(fā)了一種工業(yè)外骨骼，可以顯著降低豎脊肌（12%～15%）和股二頭?。?%）的活動(dòng)。大量新聞?wù)故緹o(wú)源外骨骼現(xiàn)已進(jìn)入工業(yè)市場(chǎng)，而具有工業(yè)用途的有源外骨骼目前仍處于實(shí)驗(yàn)室階段[20-22]。因此，有必要對(duì)有源外骨骼進(jìn)行更多的研究，以證明其功效和安全性，支持其商業(yè)推廣和行業(yè)應(yīng)用[9]。

對(duì)于有源外骨骼來(lái)說(shuō)，似乎具有更高的減少身體負(fù)荷的潛在作用，上半身、軀干和下半身區(qū)域均可以從負(fù)載的顯著減少中受益[9]。對(duì)于腰背痛此類肌肉骨骼疾病而言，有源外骨骼的助力將可能極大的降低其罹患率或嚴(yán)重程度。然而，目前關(guān)于有源外骨骼對(duì)人體腰背部助力效果的研究很少。因此，本研究開(kāi)發(fā)了一種氣動(dòng)腰部助力外骨骼（Waist Pneumatic Assisted Device，WPAD），通過(guò)評(píng)估 WPAD在長(zhǎng)期重復(fù)性搬抬任務(wù)中對(duì)背部肌肉活動(dòng)的影響，以期達(dá)到在人工物料搬運(yùn)任務(wù)中減少身體背部肌肉和關(guān)節(jié)負(fù)荷的效果。

1 方法

1.1 參與者

12名健康男性（年齡26.4±5.1 y、身高1.75±0.08 m、體重65.3±9.5 kg），無(wú)腰背痛病史，自愿參加此項(xiàng)研究。受試者在了解測(cè)試內(nèi)容、潛在風(fēng)險(xiǎn)和相應(yīng)益處后，閱讀并簽署華南理工大學(xué)研究倫理委員會(huì)批準(zhǔn)的道德同意書(shū)。受試者需在每次測(cè)試前進(jìn)行5 min的全身動(dòng)態(tài)拉伸熱身。

1.2 主動(dòng)外骨骼

WPAD由主體機(jī)械結(jié)構(gòu)、動(dòng)力單元、傳感系統(tǒng)和控制單元組成（圖1a）。動(dòng)力單元采用氣動(dòng)肌肉作為執(zhí)行器，主體機(jī)械結(jié)構(gòu)采用人機(jī)工程學(xué)設(shè)計(jì)，傳感器和控制單元包括位移傳感器、基于比例-積分-微分的嵌入式系統(tǒng)等。WPAD需要外接氣源，通過(guò)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌肉收縮來(lái)為人體腰部提供助力。氣動(dòng)肌肉安裝在人體背部，與豎脊肌后部平行排列，以模擬豎脊肌對(duì)人體軀干的影響，并將力傳遞到脊柱、腿部、肩部、腰背部與骨盆處。WPAD在額定工作條件下使用時(shí)，最大扭矩可達(dá)75 N·m，整個(gè)設(shè)備重6.5 kg。圖1b 顯示了受試者穿戴WPAD后搬抬過(guò)程中人體腰骶關(guān)節(jié)（L5/S1）在前彎時(shí)的生物力學(xué)模型。在這種狀態(tài)下，人體脊柱可被視為裝在人體骨盆上的懸臂梁機(jī)構(gòu)[23]。由 WPAD輸出的兩個(gè)外部輔助力（F1和F2）作用到肩部和腰背部，以幫助人體在矢狀面上進(jìn)行彎曲/伸展。在人體軀干屈曲時(shí)，豎脊肌會(huì)通過(guò)離心收縮以支撐人體軀干。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)豎脊肌的輔助，WPAD在平行于胸部方向施加拉力 F1，這種拉力不僅可輔助支撐人體軀干，還可以增加脊柱的穩(wěn)定性。同時(shí)，WPAD對(duì)人體腰背部區(qū)域施加推力F2，不僅可對(duì)人體腰背部提供物理性支撐，防止腰椎間盤突出等損傷，還可以增加腰部區(qū)域的穩(wěn)定性。當(dāng)穿戴WPAD 的人進(jìn)行搬抬任務(wù)時(shí)，WPAD動(dòng)力單元的鋼絲繩會(huì)隨著身體的蹲伏彎曲而逐漸收縮，從而壓縮位移傳感器的探頭。當(dāng)人抓住重物時(shí)，通過(guò)腿部運(yùn)動(dòng)觸發(fā)位移傳感器，WPAD打開(kāi)電磁閥，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)肌肉收縮，推動(dòng)穿戴者腰部并拉伸肩部，使軀干恢復(fù)直立狀態(tài)。當(dāng)受試者穿戴WPAD且沒(méi)有接氣源時(shí)，WPAD將無(wú)法對(duì)人體提供輔助，但也不會(huì)對(duì)人體的搬抬動(dòng)作產(chǎn)生干涉。

1.3 儀器儀表

1.3.1 生理監(jiān)測(cè)

采用數(shù)字心率監(jiān)測(cè)器記錄每次測(cè)試過(guò)程中和測(cè)試完成后5 min的心率；采用Borg 6-20 RPE量表[24]主觀評(píng)估每次搬抬任務(wù)開(kāi)始和結(jié)束時(shí)受試者對(duì)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的感知，此量表使用15分制（6～20）進(jìn)行打分，其中最低6分表示完全不費(fèi)勁，最高20分表示極度呼吸困難或疲勞，結(jié)果以整數(shù)表示。

1.3.2 肌電監(jiān)測(cè)

使用ME6000-8肌電測(cè)試儀測(cè)試豎脊肌肌電（Electromyography，EMG）信號(hào)。每次測(cè)試

前需檢查儀器，以確保其處于待機(jī)模式且運(yùn)行正常。采樣頻率設(shè)置為1200 Hz，帶通濾波為20～500 Hz，共模抑制比為110 dB，輸入阻抗為10 GΩ，增益為1000，噪聲電平＜1 μV，靈敏度為0.2 μV。信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換為12位。

在連接肌肉電極之前，受試者的右側(cè)肌肉表面需完全暴露，并用醫(yī)用級(jí)酒精棉球擦拭，目的是充分清潔肌肉皮膚表面以減少肌電干擾和噪音[25]。為了在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中保持信號(hào)幅度，將Kryolan醫(yī)用粘合劑放在EMG電極對(duì)之間并貼到受試者的背部[26]，將一次性表面肌電電極Ag-AgCl以3 cm的間距連接到目標(biāo)肌肉表面，每個(gè)電極的尺寸為45 mm×20 mm。目標(biāo)測(cè)試區(qū)域?yàn)樾刈档?椎的胸豎脊?。═ES）和腰椎第3椎的腰豎脊?。↙ES），參考電極放置在第7頸椎（C7）棘突上[27]

1.4 測(cè)試程序

整個(gè)實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段，第一階段與第二階段依次進(jìn)行。

第一階段，在受試者完全了解測(cè)試規(guī)則后，收集其一段靜息EMG信號(hào)數(shù)據(jù)，以用于后續(xù)去除基準(zhǔn)噪聲。受試者俯臥在墊子上10 s并放松背部肌肉，然后受試者針對(duì)待測(cè)肌肉進(jìn)行兩次5 s的最大隨意等長(zhǎng)收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC）測(cè)量[8，28]，每次進(jìn)行MVC測(cè)試之后受試者至少休息2 min，在MVC測(cè)試過(guò)程中得到的各目標(biāo)測(cè)試肌肉的最大肌電值，用于EMG數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

第二階段，受試者穿戴WPAD執(zhí)行15 min的搬抬動(dòng)作任務(wù)，如圖2所示，然后在不穿戴WPAD 的情況下再執(zhí)行15 min的任務(wù)，兩次搬抬任務(wù)需采用相同姿勢(shì)。受試者需將雙腳分開(kāi)與肩同寬，然后在矢狀面上采用自由搬抬方式，將木箱（重量為10 kg、尺寸為36 cm×26 cm×28 cm，在美國(guó)國(guó)家職業(yè)安全與健康研究所指南建議的限制范圍內(nèi)）搬到高度為受試者身

高一半的臺(tái)面上，搬抬過(guò)程中木箱與人體的水平距離為25 cm（搬抬開(kāi)始時(shí)木箱形心到兩腳踝中點(diǎn)的水平距離）。搬抬任務(wù)節(jié)奏由節(jié)拍器控制，以每分鐘六次的頻率進(jìn)行。整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，每隔1 min采集30 s心率，并持續(xù)采集肌電信號(hào)。15 min測(cè)試完成后，立即進(jìn)行Borg量表評(píng)分。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 肌電數(shù)據(jù)處理

研究表明，EMG信號(hào)大小與肌肉力量有關(guān)[29]。最常用的表示肌電幅值大小的指標(biāo)是均方根振幅RMS，它在數(shù)學(xué)上表示N個(gè)連續(xù)樣本的二次和的平方根，計(jì)算公式為：

式中：n表示上界；i表示下界。

由于EMG信號(hào)的個(gè)體差異較大，因此，需要對(duì)其標(biāo)準(zhǔn)化以實(shí)現(xiàn)不同肌肉和不同受試者之間的比較分析。所有的搬抬測(cè)試都標(biāo)準(zhǔn)化為在MVC測(cè)試期間達(dá)到的最大EMG活動(dòng)。這個(gè)規(guī)范化過(guò)程創(chuàng)建了一個(gè)MVC百分比時(shí)間的度量單位，可使不同受測(cè)者和測(cè)試之間進(jìn)行圖形化的比較[30-31]

使用截止頻率為2.7 Hz的二階巴特沃斯濾波器對(duì)所有原始EMG信號(hào)進(jìn)行整流和低通濾波[32]。從所有最大收縮和搬抬試驗(yàn)中減去基線EMG值。所有起重試驗(yàn)都標(biāo)準(zhǔn)化為在MVC試驗(yàn)期間達(dá)到的最大EMG活動(dòng)，然后根據(jù)起重時(shí)間進(jìn)行整合。

1.5.2 中位頻率（Median Frequency，MF）

每段EMG值被劃分為五個(gè)長(zhǎng)為1 s的時(shí)期（無(wú)重疊）。小波變換用于時(shí)頻分析，因?yàn)閺呢Q脊肌測(cè)量的EMG在人體彎曲過(guò)程中是非平穩(wěn)信號(hào)[33-34]。五個(gè)時(shí)期的平均MF用于檢測(cè)肌肉疲勞[35-36]。

1.5.3 生理變量

心率或疲勞感知等級(jí)增加被認(rèn)為是人體疲勞的指標(biāo)[27]。記錄受試者測(cè)試時(shí)每1 min前30 s內(nèi)的心率，以計(jì)算平均值作為當(dāng)前心率，并確定其最大心率百分比。受試者的最大心率計(jì)算為[37]：

式中：Hmax為受試者的最大心率；A為受試者的年齡；G為受試者的體重，kg。

最大心率百分比的計(jì)算為：

式中：PHmax為最大心率百分比；H為受試者的當(dāng)前心率。

在受試者完成測(cè)試后獲得平均Borg RPE值，并使用6～20評(píng)級(jí)量表進(jìn)行比較，以評(píng)估和確定受試者的運(yùn)動(dòng)感知等級(jí)。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

本研究中的自變量是WPAD狀態(tài)（即使用或未使用，也稱為穿戴或未穿戴）和時(shí)間（即測(cè)試前或測(cè)試后）。因變量包括：兩個(gè)生理指

標(biāo)（HR和RPE）；TES和LES的 RMS 幅度和MF的基于時(shí)間的任務(wù)測(cè)量。數(shù)據(jù)檢查表明，EMG和心率均未偏離正態(tài)分布。進(jìn)行雙向重復(fù)測(cè)量方差分析（ANOVA）測(cè)試以評(píng)估自變量時(shí)間（15級(jí)）和設(shè)備（有/無(wú)）對(duì)RMS、MF值、心率的影響。使用Bonferroni校正方法和配對(duì)t檢驗(yàn)來(lái)跟蹤顯著（ɑ＜0.05）的主效應(yīng)以降低I型錯(cuò)誤率（要求ɑ＜0.016），其中ɑ為顯著值。顯著的主效應(yīng)和相互作用（ɑ＜0.05）通過(guò)配對(duì)t檢驗(yàn)進(jìn)行跟蹤，并通過(guò)稱為錯(cuò)誤檢測(cè)率（FDR）的事后程序進(jìn)行分析，即一種比過(guò)于保守的方法更適合多重比較的方法（Bonferroni調(diào)整）。FDR通過(guò)控制僅存在于拒絕零假設(shè)的測(cè)試中的錯(cuò)誤比例來(lái)獲得更高的權(quán)力水平[27，38]。使用效應(yīng)量指標(biāo)eta squared（用η2來(lái)表示）報(bào)告效應(yīng)大小[39-40]。使用SPSS 22.0處理數(shù)據(jù)。分別對(duì)12名受試者的TES和LES肌肉的EMG信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，用作WPAD條件或無(wú)WPAD條件的比較數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本研究中重復(fù)提舉試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果總結(jié)在表1中，并以線性圖顯示在圖3和圖4中。

2.1 使用和不使用WPAD時(shí)HR和Borg RPE量表得分

從表1可以看出，本實(shí)驗(yàn)中受試者后測(cè)心率大于前測(cè)心率（p＝0.032）。不使用WPAD時(shí)心率增加70.63%，使用WPAD時(shí)增加51.85%。結(jié)果顯示，使用WPAD和不使用WPAD有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的影響（p＝0.018）。就用于表示疲勞程度的Borg RPE量表而言，受試

者的后測(cè)值大于前測(cè)值（p＝0.007），未穿戴WPAD時(shí)的值大于穿戴WPAD時(shí)的值（p＝0.042）。從圖3可以看出，在15 min的搬抬測(cè)

試中，受試者未穿戴WPAD時(shí)的心率大于穿戴WPAD時(shí)的心率，并且兩者之間的差距隨著時(shí)間的增加逐漸變大。通過(guò)對(duì)比受試者在穿戴和未穿戴WPAD時(shí)測(cè)試前后的心率值，可以得出兩個(gè)自變量具有顯著的交互作用（p＝0.036），表明穿戴WPAD會(huì)降低心率值。

2.2 使用和不使用WPAD時(shí)的豎脊肌肌電幅度

表1列出了穿戴和未穿戴WPAD時(shí)受試者TES和LES的肌電幅度RMS的變化結(jié)果。從表中可以看出，TES和LES的后測(cè)RMS幅度明顯大于前測(cè)（p＝0.0085）；TES的RMS在未穿戴WPAD時(shí)增加了125.78%，穿戴WPAD時(shí)增加了32.45%；LES的RMS在未穿戴WPAD時(shí)增加了85.9%，穿戴WPAD時(shí)增加了40.17%。穿戴WPAD時(shí)，TES和LES的RMS的增加均明顯小于未穿戴WPAD時(shí)。從圖4（a）可以看出，與穿戴WPAD相比，未穿戴WPAD時(shí)TES的RMS從第4 min開(kāi)始到測(cè)試結(jié)束顯著增加。與穿戴WPAD相比，未穿戴WPAD時(shí)LES的RMS較高且一直在增加（從第5分鐘開(kāi)始直到搬抬結(jié)束），如圖4（b）所示。

2.3 使用和不使用WPAD時(shí)的豎脊肌肌電MF

表1提供了 WPAD 使用和不使用時(shí)搬運(yùn)任務(wù)前后EMG的MF變化。后測(cè)TES和LES的MF值低于前測(cè)（p＝0.0055）；穿戴WPAD時(shí)TES和LES的MF減少小于不穿戴WPAD（p＝0.039）。當(dāng)受試者未穿戴WPAD時(shí)，15 min的搬抬任務(wù)導(dǎo)致TES的MF下降7.45%，LES的MF下降13.70%。當(dāng)受試者穿戴WPAD時(shí)，TES的MF僅下降了2.71%，LES的MF下降了3.91%。從圖5可以看出，對(duì)于TES，設(shè)備－時(shí)間的顯著交互發(fā)生在搬抬7 min后，一直持續(xù)到搬抬結(jié)束，而LES中的顯著交互發(fā)生在第5 min，一直持續(xù)到搬抬結(jié)束。

統(tǒng)計(jì)差異從第6分鐘開(kāi)始直到測(cè)試結(jié)束。

3 討論

長(zhǎng)期以來(lái)，重復(fù)抬舉和搬運(yùn)重物被認(rèn)為是導(dǎo)致腰背痛的主要因素[41]。然而，主動(dòng)外骨骼有可能顯著減輕與工作相關(guān)的肌肉骨骼損傷[9]。本文的目的是評(píng)估WPAD在重復(fù)處理任務(wù)期間對(duì)人體的肌肉力量或疲勞的緩解作用。為了實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映肌肉的活動(dòng)狀態(tài)和功能狀態(tài)，肌電圖的幅值大小和中位數(shù)頻率是較明顯的指標(biāo)。在這些測(cè)試中，心率是評(píng)價(jià)所抬舉負(fù)荷的常用指標(biāo)。隨著負(fù)荷的增加，受試者的心率逐步增加[27]。此外，我們還在測(cè)試中使用Borg量表對(duì)受試者進(jìn)行心理物理評(píng)估。現(xiàn)有研究表明，在手動(dòng)抬升動(dòng)作任務(wù)期間，許多不同的人體工程學(xué)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)影響豎脊肌的EMG信號(hào)[7，16，42]。為了消除外部因素對(duì)WPAD的負(fù)面影響，我們?cè)O(shè)置了一些限制，包括抬升姿勢(shì)、負(fù)載重量、抬升高度、水平距離、頻率、負(fù)載體積和隨機(jī)移動(dòng)。

心率是衡量人體運(yùn)動(dòng)負(fù)荷的間接指標(biāo)。在這項(xiàng)研究中，受試者未穿戴WPAD時(shí)的心率大于穿戴WPAD時(shí)的心率，這意味著未穿戴WPAD時(shí)工作量更大，心血管疲勞更嚴(yán)重[27]。測(cè)試中Borg量表評(píng)分的結(jié)果與心率指標(biāo)的表現(xiàn)相似，表明主觀感知指標(biāo)可用于評(píng)價(jià)WPAD的動(dòng)力輔助功能。當(dāng)穿戴WPAD時(shí)，受試者發(fā)現(xiàn)重復(fù)的搬抬任務(wù)不再那么費(fèi)力。

實(shí)驗(yàn)中均方根振幅的結(jié)果表明，當(dāng)將負(fù)載搬抬到TES的T9水平時(shí)，受試者承受高強(qiáng)度水平的應(yīng)力，而在LES的L3水平時(shí)，受試者承受低強(qiáng)度水平的應(yīng)力，這與Potvin和Norman得出的結(jié)論一致[43]。在15 min的搬抬測(cè)試后，我們發(fā)現(xiàn)與不穿戴WPAD相比，穿戴WPAD可以顯著降低TES和LES肌肉張力，并且在重復(fù)搬抬測(cè)試期間可以減少肌肉活動(dòng)。

MF是肌肉疲勞的關(guān)鍵指標(biāo)。MF值顯示整個(gè)動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)測(cè)試期間的疲勞[44-45]。在重復(fù)的搬抬測(cè)試中，豎脊肌的MF有所下降。因此，TES和LES上的豎脊肌在起重任務(wù)期間經(jīng)歷了疲勞過(guò)程。使用WPAD時(shí)，在第0分鐘到第15分鐘之間，TES和LES的MF減少值小于不穿戴WPAD，這意味著WPAD可以減少這些搬抬任務(wù)中豎脊肌的肌肉疲勞。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，WPAD可以有效減少執(zhí)行重復(fù)搬抬任務(wù)時(shí)人體肌肉的疲勞，這與早期發(fā)現(xiàn)一致，即主動(dòng)式工業(yè)外骨骼表現(xiàn)出在搬抬和放下任務(wù)時(shí)豎脊肌活動(dòng)顯著降低[8]。盡管被動(dòng)式工業(yè)外骨骼旨在支撐或卸載腰部區(qū)域，并且對(duì)于動(dòng)態(tài)搬抬或靜態(tài)保持活動(dòng)似乎都非常成功，但主動(dòng)外骨骼在減少物理負(fù)荷方面的潛在影響似乎更高[46]。然而，本研究目前仍研究存在一些局限性。首先，研究?jī)H在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程過(guò)于標(biāo)準(zhǔn)化，與實(shí)際工業(yè)環(huán)境有所不同。在重復(fù)的抬升和搬運(yùn)任務(wù)中，工人們經(jīng)常需要扭轉(zhuǎn)和橫向彎曲軀干，而在本研究中并沒(méi)有這些過(guò)程；本研究中受試者在彎曲和伸展過(guò)程中軀干僅在矢狀面上活動(dòng)，以確保人體的對(duì)稱抬起。其次，只有少量受試者參與本測(cè)試，且不是從事搬運(yùn)工作經(jīng)驗(yàn)的工人。然而，WPAD仍然表現(xiàn)出顯著的效果。在未來(lái)的研究中，應(yīng)將更多的受試者納入測(cè)試，以提供更具說(shuō)服力的結(jié)果。最后，受試者的身高和體重各不相同。雖然調(diào)整WPAD的內(nèi)置肩帶和腰帶以適應(yīng)不同身高的個(gè)體，但無(wú)法調(diào)整進(jìn)氣壓力來(lái)控制不同體重受試者的氣動(dòng)肌肉張力。最佳的WPAD配置是利用每個(gè)受試者的體重按一定比例調(diào)整進(jìn)氣壓力，而本研究采用的是固定進(jìn)氣壓力的配置。上述限制固有地增加了實(shí)驗(yàn)的可變性，從而影響了結(jié)果的準(zhǔn)確性。但是從測(cè)試結(jié)果可以看出，WPAD的整體有效性仍然十分明顯。

在Borg量表測(cè)試中，一些穿戴WPAD的受試者抱怨他們的大腿承受了很大的壓力，長(zhǎng)時(shí)間使用會(huì)增加腿部的不適感。這意味著長(zhǎng)期使用WPAD可能會(huì)將健康風(fēng)險(xiǎn)從背部轉(zhuǎn)移到腿部。關(guān)于這個(gè)問(wèn)題，我們應(yīng)該調(diào)查這種現(xiàn)象是否與受試者的動(dòng)機(jī)與測(cè)試中穿戴WPAD 的匹配度有關(guān)，以及這種現(xiàn)象是否普遍。此外，對(duì)矯形器的研究表明，長(zhǎng)期使用腰椎矯形器會(huì)導(dǎo)致軀干肌肉組織衰弱。因此，建議限制使用腰椎矯形器或使用強(qiáng)化練習(xí)[47]。就WPAD而言，只有少數(shù)穿戴者的肌肉活動(dòng)水平顯著降低，而其他大部分受試者的肌肉的活動(dòng)水平仍與正常狀態(tài)一樣活躍或僅略有降低。因此，沒(méi)有軀干組織變?nèi)醯那闆r。建議限制在特定任務(wù)和特定時(shí)期使用WPAD。

總而言之，WPAD不僅可以緩解腰椎和胸椎的肌肉緊張，還可以降低心血管疲勞度，在重復(fù)的長(zhǎng)時(shí)間矢狀彎腰抬舉動(dòng)作期間，此效果尤為明顯。

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收稿日期：2022-08-08

基金項(xiàng)目：廣東省協(xié)同創(chuàng)新與平臺(tái)環(huán)境建設(shè)專項(xiàng)資金（201802010067）；博后科研經(jīng)費(fèi)資助（10085/[SY-2021-08）：基于多傳感信息融合的人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別算法研究。

作者簡(jiǎn)介：尹鵬（1990－），男，湖北武漢人，博士，博士后高級(jí)研究員，主要研究方向?yàn)橥夤趋廊藱C(jī)交互系統(tǒng)、人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別等，E-mail：18814113085@163.com。*通訊作者：楊靚（1981－），男，湖北武漢人，博士，主要研究方向?yàn)橥夤趋揽傮w設(shè)計(jì)、人工智能等，E-mail：leonyounggod@msn.com。