無源被動負(fù)重型外骨骼對單兵滿負(fù)荷行走運動的步態(tài)分析研究

熊 然，袁 博，陳光興，郭 林，彭 陽，楊 柳，段小軍

在新軍事變革中，單兵裝備日趨豐富，在增強(qiáng)士兵戰(zhàn)斗力同時，也造成負(fù)重增加。過重的裝備不僅限制士兵機(jī)動性， 還會增加運動系統(tǒng)勞損從而影響戰(zhàn)斗力，而單兵下肢外骨骼的應(yīng)用有望改變這種不利局面[1~5]。士兵穿戴外骨骼后，在作戰(zhàn)或者執(zhí)行任務(wù)的行動中，將降低過重負(fù)荷對行走運動的負(fù)面影響，同時還可以在外骨骼系統(tǒng)中集成一些先進(jìn)武器裝備，來提高單兵綜合作戰(zhàn)能力；在日常行動中，外骨骼系統(tǒng)也有望提升邊境巡邏、高原作訓(xùn)、物資轉(zhuǎn)移等軍事任務(wù)的效率；在應(yīng)急救援中，理想的外骨骼系統(tǒng)也有助于救援者快速進(jìn)入道路受損、通信中斷的救災(zāi)一線，提升物資運輸和傷員救助能力。因此研制高效能的外骨骼系統(tǒng)具有重要的軍事和民用意義，目前已引起部分國家的高度重視[6~8]。

筆者擬分析無源被動負(fù)重型外骨骼 （簡稱外骨骼）對單兵行走運動時其步態(tài)時空參數(shù)的影響，從而評估其對負(fù)重步態(tài)的影響，為進(jìn)一步拓展應(yīng)用及優(yōu)化其結(jié)構(gòu)、提高性能提供科學(xué)依據(jù)，最終目的是提高人機(jī)耦合的匹配性與舒適性，增強(qiáng)外骨骼實用性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 無源被動負(fù)重型外骨骼結(jié)構(gòu)

試驗使用由重慶市牛迪科技有限公司設(shè)計制造的無源被動負(fù)重型外骨骼[9]，主要由綁縛帶、背囊和背架、腰部組件、腿部組件（大腿及小腿）、踝關(guān)節(jié)組件和足部組件組成（圖1）。 該型號外骨骼共有13 個自由度，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及外展和內(nèi)收動作。外骨骼凈質(zhì)量約5.0 kg，可滿足身高165 ～185 cm 人員穿戴。

圖1 外骨骼結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagrams of exoskeleton structure

1.1.2 臨床資料

共招募14 例志愿者，均為男性，年齡24~37 歲，平均年齡27.9 歲 （標(biāo)準(zhǔn)差3.17 歲）； 身高169.0 ~185.0 cm，平均身高174.7 cm（標(biāo)準(zhǔn)差5.3 cm）；體質(zhì)量67.5 ~ 90.0 kg，平均體質(zhì)量74.9 kg（標(biāo)準(zhǔn)差6.9 kg）；身體質(zhì)量指數(shù)22.6~27.9 kg/m2， 平均身體質(zhì)量指數(shù)24.5 kg/m2（標(biāo)準(zhǔn)差1.6 kg/m2）。 筆者研究方案經(jīng)陸軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院醫(yī)學(xué)倫理委員會審批通過（編號：2021KY035）。

選擇標(biāo)準(zhǔn)：受試者年齡18~40 歲，身體健康，無骨骼肌肉傷病，滿足外骨骼穿戴條件，均自愿參加試驗，并簽署知情同意書。

排除標(biāo)準(zhǔn)： 受試者腰背部或者下肢部位疼痛、手術(shù)史。

1.2 方法

1.2.1 工作效率測試

以負(fù)重條件下的最大行走速度為評價指標(biāo)，采用自身對照方式進(jìn)行無源被動負(fù)重型外骨骼的工作效率測試，在穿戴與不穿戴外骨骼情形下分別進(jìn)行重物搬運實驗。 受試者首先在不穿戴外骨骼情形下，按照可達(dá)到的非跑動最快行走速度搬動質(zhì)量25 kg 箱式重物平地行走20 m， 記錄行走完成時間。 休息20 min后，在穿戴外骨骼情形下，再次搬動同一重物完成平地行走20 m。 平地行走20 m 為10 m×2 次折返行走，通過增加一次轉(zhuǎn)身來體現(xiàn)穿戴外骨骼后的肢體靈活性評價，記錄完成時間，單位為s。 上述評價指標(biāo)均在不穿戴與穿戴外骨骼情形下分別完成，間隔時間為20 min，并記錄差值。

1.2.2 人體生理耐受試驗

人體生理耐受評價分為兩部分，即最大負(fù)重能力和最大膝關(guān)節(jié)活動角度。 最大負(fù)重能力指完成20 m 平地行走所能背負(fù)的最大負(fù)荷量，單位為kg，每1 kg 遞增；最大膝關(guān)節(jié)活動角度指步態(tài)周期內(nèi)膝關(guān)節(jié)屈伸活動的最大范圍， 通過三維動作捕捉系統(tǒng)測試完成，單位為（°）。 上述兩項評價指標(biāo)均在不穿戴與穿戴外骨骼情形下分別完成，間隔時間為20 min，并記錄差值。

1.2.3 安全性評價

外骨骼系統(tǒng)使用過程中應(yīng)避免增加穿戴者穿戴風(fēng)險，其安全性是指在穿戴外骨骼進(jìn)行行走或其他活動過程中不發(fā)生損傷事件的能力，體現(xiàn)了外骨骼在預(yù)期使用環(huán)境中系統(tǒng)實現(xiàn)人-外骨骼匹配的穩(wěn)定性能。試驗選取皮膚損傷和重心不穩(wěn)兩項不良事件發(fā)生率作為安全性評價指標(biāo)。皮膚損傷重點觀察肩部皮膚和腰部皮膚，損傷程度由輕到重依次為皮膚發(fā)紅、皮膚壓痕、皮下淤血、皮膚破損；重心不穩(wěn)分為主觀感受到的不穩(wěn)和摔倒兩種，通過對受試者的主觀問詢記錄發(fā)生次數(shù)。

1.2.4 單兵滿負(fù)荷行走運動的主觀評分

根據(jù)《中國人民解放軍單兵負(fù)荷量標(biāo)準(zhǔn)》（GJB-86），士兵常溫條件下，最大負(fù)荷為25 kg，因此試驗中單兵負(fù)荷量研究選取了該負(fù)荷量。 將25 kg 金屬重物置于背囊中，受試者在穿戴外骨骼后，統(tǒng)一背負(fù)該背囊進(jìn)行預(yù)實驗和正式測試。 測試結(jié)束后，采用問卷方式進(jìn)行評估，測試者自我填寫（圖2）：①舒適性（外骨骼穿著在身上是否讓你覺得不舒適？）；②移動靈活性（穿上外骨骼后行走動作靈活度如何？ ）；③使用意愿（如果您以后每天都要負(fù)重行走，您更加愿意穿外骨骼行走還是不穿？ ）。 分值為0~100 分，非常舒適、非常靈活、非常愿意穿的最高值為100 分。 主觀評估優(yōu)對應(yīng)于90 ~ 100（包含90）分，良為80 ~ 90（包含80）分，中60~80（包含60）分，差0~60 分。

圖2 受試者穿戴外骨骼行走運動后的主觀評分問卷Fig.2 Subjective score questionnaire of waling exercise after wearing exoskeleton

1.2.5 負(fù)荷行走的步態(tài)分析

受試者分別在不穿戴外骨骼和穿戴外骨骼條件下完成平地行走，負(fù)重試驗時背負(fù)25 kg 背囊（圖3、4），應(yīng)用三維紅外捕捉系統(tǒng)（紅外鏡頭V5。Vicon 公司，英國。 測力臺：AccuGait。 AMTI 公司，美國）通過體表粘貼的反光標(biāo)記點實時記錄運動軌跡， 數(shù)據(jù)在Nexus V2.9 軟件（Vicon 公司，英國）中經(jīng)三維建模，使用的模型為Plugin Lower Extremity，粘貼位點16 個，分析獲得時空參數(shù)結(jié)果。

圖3 受試者穿戴外骨骼的外觀Fig.3 Appearance images of subjects wearing exoskeletons

圖4 受試者穿戴外骨骼進(jìn)行25 kg 負(fù)荷行走的步態(tài)測試Fig.4 Gait test images of subjects wearing exoskeleton for 25 kg load walking

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件（IBM 公司，美國）進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計學(xué)分析。 所有結(jié)果指標(biāo)均為計量資料，以均數(shù)± 標(biāo)準(zhǔn)差表示。 首先進(jìn)行方差齊性檢驗，對于符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用單因素方差（one-way ANOVA） 進(jìn)行多組分析， 組間差異采用Post-hoc 檢驗。對于不符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，采用非參數(shù)檢驗。P<0.05 為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

2 結(jié)果

2.1 工作效率評價結(jié)果

在不穿戴與穿戴外骨骼情形下完成平地負(fù)重行走20 m 的平均時間分別為17.7 s 與15.5 s，即穿戴外骨骼可使負(fù)重行走時間平均縮短2.2 s， 工作效率提高了14.2%。

2.2 人體生理耐受結(jié)果

在不穿戴與穿戴外骨骼情形下最大負(fù)重能力平均值分別為32.0 kg 和37.0 kg，即穿戴外骨骼可使最大負(fù)重能力提高5 kg。在不穿戴與穿戴外骨骼情形下最大膝關(guān)節(jié)活動角度平均值分別為65.0°和57.0°，即穿戴外骨骼將導(dǎo)致行走過程中膝關(guān)節(jié)最大活動角度平均喪失8°。

2.3 安全性評價結(jié)果

在所有14 例受試者的詢問記錄中， 有2 例受試者發(fā)生了肩部皮膚輕微發(fā)紅， 無皮膚破潰及疼痛感，無其他皮膚損傷情況發(fā)生。 在平均30 min 的測試時間內(nèi)，沒有發(fā)生重心不穩(wěn)的情況。

2.4 單兵滿負(fù)荷行走運動的主觀評分結(jié)果

使用外骨骼后，受試者主觀評估的舒適性（75.0±7.6）（60 ~ 90）分，移動靈活性（69.3 ± 7.3）（60 ~ 80）分，使用意愿（72.1 ± 7.0）（60 ~ 90）分。 主觀評分為中等。

2.5 步態(tài)分析時空參數(shù)比較

分析的指標(biāo)為步態(tài)分析時空參數(shù)，包括步頻、雙足支撐時長、單足支撐時長、步時、步寬、步速。上述評價指標(biāo)中，步長、步時和步寬在不穿戴與穿戴外骨骼時具有相似的變化趨勢，而步頻、雙足支撐時長、單足支撐時長、步速則具有較大的變異。結(jié)果顯示穿戴外骨骼情形下，負(fù)重使步頻降低僅2.3%，而在不穿戴外骨骼情形下該指標(biāo)為7.7%。 在不穿戴外骨骼時，負(fù)重25 kg可增加雙足支撐時長31.7%，而在穿戴外骨骼時，負(fù)重并未增加雙足支撐時長。單足支撐時長在不穿戴外骨骼負(fù)重時明顯降低，差異具有統(tǒng)計學(xué)意義，而在穿戴外骨骼時輕度降低，差異無統(tǒng)計學(xué)意義。 見表1。

3 討論

外骨骼系統(tǒng)作為關(guān)節(jié)或者骨骼運動系統(tǒng)的增強(qiáng)單元，目前在國內(nèi)外研究進(jìn)展迅速[6~8，10，11]。 其中下肢外骨骼系統(tǒng)分為兩種[12]：①用來增強(qiáng)穿戴者的運動功能和負(fù)重能力， 主要用于幫助士兵執(zhí)行負(fù)重行走能力；②用于輔助老年人和機(jī)體功能障礙者，實現(xiàn)助力行走和康復(fù)訓(xùn)練。

筆者研究使用的助力型下肢外骨骼，屬于無源被動負(fù)重型外骨骼，作為新型軍事裝備已向?qū)嵱梅较蛲卣筟5，9]。隨著軍事技術(shù)的革新，單兵作為戰(zhàn)爭的主體，其攜行需求越來越多。 然而士兵的負(fù)重能力有限，這嚴(yán)重制約了士兵的攜行能力及機(jī)動能力，而野外作戰(zhàn)環(huán)境下電力來源不明確，有源型外骨骼雖可提供更高的工作效率，但存在自身質(zhì)量大、電能斷供的致命缺點，不適合廣泛裝備。該種類型外骨骼也可應(yīng)用于民用領(lǐng)域，如野外救援、山地物資搬運等，可提高穿戴者的負(fù)重活動能力、減輕骨骼肌肉疲勞，尤其是在坡地、上下梯步等體能消耗大的場景下助力效果更加顯著。因此筆者所在團(tuán)隊瞄準(zhǔn)普力負(fù)重外骨骼在戰(zhàn)斗人員行軍負(fù)重中與人體的協(xié)調(diào)性展開理論研究與技術(shù)創(chuàng)新，以求在該領(lǐng)域中提出獨具特色的研究思路和理論方法。

筆者研究結(jié)果顯示穿戴外骨骼可使負(fù)重行走工作效率提高14.2%、最大負(fù)重能力提高5 kg，這與文獻(xiàn)中報道的結(jié)果類似。 周加永等[13]應(yīng)用ANSYS 軟件對單兵助力柔性外骨骼進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明單兵外骨骼可承載40 kg 的額定負(fù)荷，能達(dá)到60%的平均助力承載，并具備脊柱、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等部位的支撐保護(hù)功能，證明了無源型外骨骼作為一種簡便、低成本的輔助裝置，具有較好的實際用途，適合在野戰(zhàn)部隊裝備使用。但筆者研究結(jié)果也提示穿戴外骨骼將導(dǎo)致行走過程中膝關(guān)節(jié)最大活動角度平均喪失8°，這與外骨骼的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定關(guān)系。由于外骨骼有較高的承重需求，必須采用強(qiáng)度大、不易變形的材料治療，因此在人體穿戴后必定影響脊柱、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)活動范圍，尤其是對膝關(guān)節(jié)屈伸運動約束明顯。 筆者使用了三維紅外動作捕捉的方式獲得了膝關(guān)節(jié)活動度變化，另一項研究[14]使用了慣性傳感器技術(shù)精確計算了穿戴外骨骼后的膝關(guān)節(jié)屈伸活動空間為0° ~47.04°，研究測得的數(shù)值接近。

外骨骼設(shè)計的底層邏輯是對人體結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化，自由度的賦予基本與人體自身結(jié)構(gòu)相一致，設(shè)計過程以人體結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，但也受到解剖構(gòu)造和運動模式的限制，因此外骨骼與人體結(jié)構(gòu)的匹配度也是評價外骨骼性能的重要參數(shù)[15]。 當(dāng)設(shè)計存在缺陷、匹配度過低時，兩者運動節(jié)奏不一致，會顯著降低外骨骼的助力效果，增加穿戴者的疲勞感，嚴(yán)重者會導(dǎo)致摔倒、人體關(guān)節(jié)扭傷等安全事故。 安全性評價方面，筆者研究過程中有2 例受試者發(fā)生了肩部皮膚輕微發(fā)紅，沒有發(fā)生重心不穩(wěn)等安全不良事件，穿戴者主觀評估的舒適性、移動靈活性、使用意愿的評分較高，證明了筆者研究采用的無源型外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，給穿戴者帶來的風(fēng)險較低，確保了穿戴者的安全。

新型外骨骼對單兵負(fù)荷下的負(fù)重步態(tài)存在影響。根據(jù)《中國人民解放軍單兵負(fù)荷量標(biāo)準(zhǔn)》及相關(guān)研究[16]，士兵在常溫條件下的最大負(fù)荷為25 kg 左右，因此筆者研究中單兵負(fù)荷量研究選取了該負(fù)荷量。目前只有少數(shù)國內(nèi)外學(xué)者考慮了下肢外骨骼對穿戴者的影響，但其相應(yīng)研究的參數(shù)較為單一，無法綜合全面地分析下肢外骨骼對人體步態(tài)特性的影響[17]。筆者通過分析步態(tài)，發(fā)現(xiàn)單兵負(fù)重25 kg 后，其步頻、雙足支撐時長、單足支撐時長和步速出現(xiàn)顯著性改變，表明單兵的運動功能減弱；但是穿戴外骨骼后，其步頻、雙足支撐時長、單足支撐時長和步速得到改善，與未負(fù)重時的差異不顯著，即表明使用該外骨骼系統(tǒng)后，單兵的負(fù)荷運動功能增強(qiáng)。 當(dāng)然，目前國內(nèi)外外骨骼的整體研究仍處于技術(shù)孵化期，不論哪種用途的外骨骼都有許多重要科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究。

該外骨骼系統(tǒng)仍有較大的改進(jìn)空間，結(jié)合其他研究呈現(xiàn)的結(jié)果，筆者認(rèn)為后續(xù)的改進(jìn)主要從穿戴舒適性、外骨骼-人體結(jié)構(gòu)匹配度、外骨骼-人體運動協(xié)同性三個方面進(jìn)行改進(jìn)。穿戴舒適性應(yīng)提高外骨骼材料的透氣性、柔軟性，尤其是與人體直接接觸部分的材料，還要改進(jìn)束縛帶的設(shè)計和捆扎力度，避免過緊的捆扎帶來肢體疲勞不適。外骨骼-人體結(jié)構(gòu)匹配度的改進(jìn)應(yīng)重點考慮不同人的解剖差異， 設(shè)計可快速調(diào)節(jié)腰部、大腿、小腿長度的結(jié)構(gòu)，確保髖、膝、踝關(guān)節(jié)運動中心與人體關(guān)節(jié)運動中心一致，減少活動中的關(guān)節(jié)活動限制和穿戴者疲勞感。筆者研究存在局限性，外骨骼僅是無源被動負(fù)重型外骨骼，且受試者樣本數(shù)量較小，評估分析指標(biāo)缺乏全面性，因此獲得的結(jié)論較為有限。 未來研究可考慮在改進(jìn)外骨骼設(shè)計后進(jìn)行多種運動功能監(jiān)測指標(biāo)的綜合分析，將使得研究更加深入和科學(xué)。