崔银平，杨国庆，马千里，郭晓东，朱 革，陈永清，袁 博*

（1.重庆理工大学机械工程学院，重庆 400054；2.重庆北部宽仁医院，重庆 401121；3.江西泰豪军工集团有限公司，南昌 330096）

0 引言

随着科学技术的发展，现代运输能力得到大幅度的提升，但在特定的环境条件下，例如，在交通不畅的高寒边防或地震、火灾现场，常规的运输工具无法施展，人力运输仍然是最有效的运输方式[1-3]。当背负负载过多时，负载会对人体肩部皮肤与软组织造成过度压迫，影响周边神经与血管，从而产生明显的肩部不适和疼痛等现象[4-7]。有研究表明，背负10 kg的背囊会造成肩部肌肉含氧量以及皮肤血管的血流量明显减少，背负等同于20%身体质量的背囊会影响携行者的耗氧量与疲劳度[8-9]，过多的负重还会影响行进中的躯干平衡，长时间的负重会对人体生理功能甚至结构造成严重的负面影响[10]。因此，有必要采取有效的措施减少负重过程对人体的负面影响。

负重助力外骨骼是一种能有效减轻负重对人体负面影响的设备[11]，本课题组已研究了一种被动式负重外骨骼。到目前为止，国内外对负重外骨骼开展了一系列负重行走实验与评估的研究[12-14]，但对其承重效果的评估不够全面。为进一步弄清楚人体使用被动式负重外骨骼在站立负重时的承重和助力机制及其改进方向，进一步优化负重外骨骼的承重结构，本研究对其进行站立承重性能评估。

1 实验方法

1.1 被动式负重外骨骼结构

被动式负重外骨骼结构如图1所示，主要由绑缚机构、背囊、背架、腰部组件、腿部组件、踝关节组件和鞋套组成。该外骨骼共有13个自由度，总质量4.9 kg，尺寸可满足身高165～185 cm的男性穿戴者。

该外骨骼自由度如图2所示，其中腰部自由度是为了满足人体正常活动中胸椎左右侧身动作不受限制；髋关节3个自由度分别对应前屈和后伸动作、外展和内收动作、旋内和旋外动作；膝关节自由度满足屈曲和伸直动作；踝关节自由度满足背屈和趾屈动作以及外展和内收动作。

图1 被动式负重外骨骼结构示意图

图2 被动式负重外骨骼自由度示意图

1.2 站立承重实验

7名受试者在不穿外骨骼无负重、穿戴外骨骼负重、不穿外骨骼负重3种不同条件下依次接受测试。负重为25 kg制式背包。受试者需要在每种受试条件下保持静止站立10 min，同时进行肌电信号、肩部压力、能量消耗测试。测试场景如图3所示。每位受试者需休息30 min以上再进行下一个受试条件测试，以保证受试者的体能恢复。

图3 测试场景

1.2.1 受试者

本实验共招募7名健康成年男子作为受试者，受试者基本信息见表1，平均年龄（25±4）岁，身高（178.14±6.31）cm，体质量（72.21±11.59）kg，受试者的身高、体质量均满足被动式负重外骨骼样机尺寸调节范围。所有受试者身体健康，在测试前3个月均没有与肌肉骨骼系统相关的疾病或损伤，且在参与本实验前充分了解实验内容与测试项目。

表1 受试者基本信息

1.2.2 肌电信号采集

使用美国Noraxon公司的16路信号通道Noraxon-DTS系列无线表面肌电采集系统进行肌电信号采集。肌电信号数据通过工作站的MR 23软件以2 000 Hz采样频率采集，数据采集时长为60 s。电极贴使用一次性双极电极贴，贴片位置分别为左右两侧斜方肌和竖脊肌，如图4所示。贴片前先用75%的医用酒精擦拭皮肤表面，去除黏附在皮肤表面的油污，待皮肤干燥后再贴上电极贴。

1.2.3 肩部压力测量

图4 测试肌肉位置

使用苏州能斯达电子的DF9-40系列柔性薄膜压力传感器和八通道模拟信号采集卡MY2901测量肩部接触压力，将数字转换模块与计算机连接可直接读取AD值数据和参考压力值。肩部压力传感器布局位置如图5所示，分别为左右两侧的肩胸、前肩、肩顶、肩背8个位置。采集卡设置采样频率为2 Hz，待压力数据稳定后，记录10 min内的压力数据。

图5 肩部压力传感器布局位置

1.2.4 能量消耗测试

使用Carefusion公司的Oxycon Mobile运动心肺功能测试仪测量受试者不同条件下站立姿态过程中的耗氧量和二氧化碳呼出量，通过耗氧量和二氧化碳呼出量计算出能量消耗功率。测试前对设备进行提前标定和气体含量标定，确保测试过程中的参数精准。呼吸面罩穿戴过程中，要确保面罩与受试者脸部皮肤之间没有任何泄漏空间。记录受试者在不同受试条件下10 min内的耗氧量与二氧化碳呼出量，并利用Start JLad软件计算平均值作为数据样本。

1.3 实验数据处理

1.3.1 肌电信号

本实验提取肌电信号时域特征积分肌电（intergrated electromyogram，iEMG）值来反映负重过程中肌肉的发力情况，计算公式如下：

表2 受试者斜方肌和竖脊肌肌肉活动测试结果

式中，xi为采集的时间序列肌电信号；i=0，1，2，…，N-1，为一长度为N的时间序列。

1.3.2 肩部压力

根据测得的参考压力值数据，求得每个部位压力值的平均值作为数据结果。

1.3.3 能量消耗

根据Collins[15]的研究，可以计算出在3种不同条件下站立负重时单位体质量的平均能量消耗功率H：

式中，H为能量消耗功率，单位为W/kg；VO2为耗氧量，VCO2为二氧化碳呼出量，单位均为mL/s；m为受试者体质量，单位为kg。

1.4 统计学分析

采用SPSS 26.0软件对肌电信号和能量消耗功率数据进行配对样本t检验，检验穿戴外骨骼在站立负重时对肌肉活动和能量消耗功率的影响是否具有显著性，P＜0.05表示差异具有显著性。

2 结果

2.1 肌肉活动

本实验中测量的人体肌肉包括左斜方肌、左竖脊肌和右斜方肌、右竖脊肌，实验结果见表2。左斜方肌不穿外骨骼负重时，平均积分肌电值为（23.62±6.14）μV，而穿戴外骨骼负重后平均积分肌电值为（6.40±1.97）μV，穿戴外骨骼使左斜方肌肌电强度降低72.90%（P=0.018）。右斜方肌不穿外骨骼负重时，平均积分肌电值为（24.93±7.28）μV，穿戴外骨骼负重后平均积分肌电值为（8.86±2.52）μV，穿戴外骨骼使右斜方肌肌电强度降低了64.46%（P=0.030）。左竖脊肌不穿外骨骼负重时，平均积分肌电值为（7.17±1.39）μV，穿戴外骨骼负重后平均积分肌电值为（12.50±3.15）μV，穿戴外骨骼不能降低左竖脊肌肌电强度（P=0.135）。右竖脊肌不穿外骨骼负重时，平均积分肌电值为（6.90±1.15）μV，穿戴外骨骼负重后平均积分肌电值为（11.30±2.31）μV，穿戴外骨骼也不能降低右竖脊肌肌电强度（P=0.134）。

2.2 肩部压力

受试者肩部压力测试数据见表3。结果显示，穿戴外骨骼负重与不穿外骨骼负重相比，肩部压力平均降低了85.56%，以肩顶和肩背压力减重最显著（左肩顶压力降低92.27%，右肩顶压力降低83.11%，左肩背压力降低90.64%，右肩背压力降低86.86%）。

2.3 能量消耗

受试者耗氧量、二氧化碳呼出量和能量消耗功率测试结果见表4。从表4可知，穿戴外骨骼负重时耗氧量[（356.29±21.48）mL/min]较不穿外骨骼负重时耗氧量[（393.57±21.97）mL/min]降低9.47%（P=0.002）；穿外骨骼负重时二氧化碳呼出量[（290.43±15.11）mL/min]较不穿外骨骼负重时[（347.14±27.25）mL/min]降低16.34%（P=0.007）；穿戴外骨骼负重时能量消耗功率[（1.64±0.09）W/kg]较不穿外骨骼负重时[（1.84±0.09）W/kg]降低10.87%（P=0.002）。

表3 受试者肩部压力测试结果

表4 受试者耗氧量、二氧化碳呼出量、能量消耗功率测试结果

3 讨论

本实验建立了斜方肌和竖脊肌肌电信号积分值、肩部压力、耗氧量、二氧化碳排出量、能量消耗功率等指标评价体系，并用该评价体系对被动式负重外骨骼的承重和助力机制进行相关研究。

在站立负重过程中，人体主要靠肩部支撑负重，因此斜方肌是站立负重过程中主要并持续发力的肌肉。本实验对左右侧斜方肌的肌电信号测试结果显示，穿戴外骨骼站立负重时的斜方肌积分肌电值比不穿外骨骼时平均降低68.68%，差异显著，说明穿戴外骨骼负重能明显降低斜方肌的肌电强度。

肩部接触压力是人体在负重过程中感受反应最直接的物理指标，在肩部压力长时间的作用下，容易造成接触部位皮肤红肿和手臂血流不通畅，出现手臂麻木等不良感觉。本实验结果显示，穿戴外骨骼并负重25 kg时，其肩部压力较不穿外骨骼负重时平均降低85.56%，这说明该外骨骼能够将压力传导至地面，减轻人体肩部承重负担，缓解肩部接触压力。

耗氧量可以反映出人体单位时间内消耗掉的氧气量，在基础代谢一定的情况下，耗氧量越多说明人体活动量越大；同理，二氧化碳呼出量反映人体单位时间内由肺呼出的二氧化碳量，在基础代谢一定的情况下，二氧化碳呼出量越多说明人体活动量越大。根据耗氧量和二氧化碳呼出量计算出的能量消耗功率，能更直观地反映人体活动量的大小。本实验结果显示，穿戴外骨骼后负重，其耗氧量较不穿外骨骼负重时减少9.47%，二氧化碳呼出量较不穿外骨骼负重时降低16.34%，能量消耗功率较不穿外骨骼负重时降低10.87%。这些数据表明，穿戴外骨骼后负重能显著降低人体能耗，有效提高穿戴者的负重效率。不同站立姿态能量消耗对比如图6所示。结果显示不穿外骨骼负重25 kg相较于不穿外骨骼无负重时能量消耗功率增加20.26%，说明在站立时负重会显著影响能量消耗。穿戴外骨骼后站立负重相较于不穿外骨骼站立负重，能量消耗功率降低10.87%，将25 kg的负重对能量消耗带来的影响降低一半，可以理解为在穿戴外骨骼后人体只感受到约12.5 kg的负重所带来的对能量消耗的影响，进一步说明该被动式负重外骨骼具有良好的承重性能。

图6 不同站立姿态能量消耗对比

无论是降低斜方肌肌电强度、减轻肩部压力，还是降低机体能耗，都说明该被动式负重外骨骼主要是通过降低斜方肌的负荷、减轻肩部压力，达到减轻穿戴者的劳动负荷的目的。

除了斜方肌，竖脊肌也是承受站立负重的重要肌肉。实验数据显示，穿戴外骨骼后负重时，其竖脊肌积分肌电值不但没减少，反而增加了，说明穿戴外骨骼并没有改善竖脊肌的负荷，其原因可能与穿戴外骨骼时后背负重，受试者需要将身体前倾一定角度，腰部长时间处于弯腰状态迫使竖脊肌持续发力有关。另外，相比斜方肌，竖脊肌的肌电信号幅度更小，说明在站立负重情况下竖脊肌并没有大量发力。通过对比站立负重25 kg与弯腰搬运25 kg竖脊肌的肌电信号幅度，发现弯腰状态竖脊肌的发力显著大于站立负重，如图7所示。所以，身体前倾导致竖脊肌肌电强度微量提升，但其整体用力非常小，因此外骨骼在站立负重时并没有给人体造成明显的负担。

4 结语

本文针对被动式负重外骨骼进行了站立承重性能评估，分别从物理指标和生理指标评估该被动式负重外骨骼，结果表明其具有良好的承重性能。该被动式负重外骨骼可减少人体在站立负重时斜方肌的肌电强度，降低肩部压力，能有效缓解因长时间负重所带来的肌肉疲劳损伤以及肩部受压皮肤红肿和手臂麻木的问题。此外，该被动式负重外骨骼通过降低斜方肌的负担、减轻肩部压力，从而达到降低站立负重时的能量消耗的效果，有效提高了穿戴者的负重效率。

需要指出的是，本文提出的评估方法仅在静止负重条件进行了评估，而实际的负重更多的是多步态、动态的情况，因此针对负重外骨骼承重性能的评估还需进一步的细化和丰富评估方法。接下来将针对该被动式负重外骨骼在平路行走、陡坡行走和连续上台阶行走等动态条件下的承重性能和助力机制进行研究。志谢 感谢重庆理工大学机械工程学院创新实践基地、重庆市前卫科技集团有限公司、重庆市牛迪科技发展有限公司对本项目的大力支持，为本团队提供相关实验设备、受测被动式负重外骨骼和实验场地，使团队能顺利进行实验；此外，感谢团队成员陈国、颜昌玲、许琨、寇治勇、张豪、赵毅阳、李俊邑参与并协助完成实验，特此鸣谢。