无动力上肢助力机械外骨骼对手臂抬举作业的影响研究

尹鹏　杨靓　石磊　杨铭　朱冠新

摘要：手臂抬举作业是导致上肢工作相关肌肉骨骼疾病（WMSDs）的主要原因，本文的目的是评估无动力上肢助力机械外骨骼（UPAE）在手臂抬举作业中的潜在影响。方法：15名男性志愿者，在三个不同手臂抬举高度（使用和不使用UPAE）下进行重复螺栓安装任务；测量受试者左、右手臂三角肌前束、中束、斜方肌下束和肱三头肌的肌电图值，并对其颈部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰背部和腿部的感知不适（RPD）进行评分。结果：与不使用UPAE相比，使用UPAE时，右三角肌前束的初始nRMS下降了38.5%，中位nRMS值下降了45.1%，总RPD下降了52.4%。结论：与不使用UPAE相比，使用UPAE可以带来更少的上肢肌肉收缩和更低的RPD，这可能会降低或减慢在手臂抬举作业中上肢WMSDs的水平。

关键词：外骨骼；手臂抬举；肌肉骨骼疾病；肌电图

中图分类号：TP242.3 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.003

文章编号：1006-0316 （2023） 08-0016-10

Effects of Passive Upper Limb Exoskeletons in Arm Lifting Tasks

YIN Peng YANG Liang SHI Lei YANG Ming ZHU Guanxin

（ 1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China; 2.CVTE Central Research Institute， CVTE Electronic Technology

Co.， Ltd.， Guangzhou 510640， China ）

Abstract：Arm lifts is a major cause of work-related musculoskeletal disorders （WMSDs） of the upper extremity. The purpose of this article was to evaluate the potential effects of a passive upper limb exoskeleton （UPAE） on arm lift operations. Fifteen male volunteers performed repetitive bolt-installation tasks at 3 different arm lift heights （with and without UPAE）. The electromyography （EMG） values of the anterior deltoid， medial， lower trapezius and triceps muscles of the subjects' left and right arms were measured. Perceived Discomfort （RPD） of necks， shoulders， upper arms， forearms， chest back， lower back and legs were scored. With UPAE， the initial nRMS of the right anterior deltoid decreased by 38.5%， the median nRMS value decreased by 45.1%， and the total RPD decreased by 52.4% compared to the situations without UPAE. The use of UPAE resulted in fewer upper extremity muscle contractions and lower RPD than without UPAE， which may have reduced or slowed the level of upper extremity WMSDs during arm lifts.

Key words：exoskeleton；arm lift；musculoskeletal disorder；electromyography

上肢與工作相关的肌肉骨骼疾病（Work- related Musculoskeletal Disorders，WMSDs）是现代工业环境日益关注的问题，通常由重复或长期的体力工作引起[1-4]。2016年，美国有报告显示14.9%的WMSDs病例与肩部工作有关[5]，仅次于背部（38.5%的病例）。肩部WMSDs通常相对更严重，因为它可能需要较长的恢复期[6]。在美国，肩部受伤导致的工作日损失中位数为23天，背部和其他部位受伤类型导致的工作日损失中位数分别为7和9天[7-8]。手臂抬举工作会对肩部区域产生复杂的生理影响（如增加肌肉压力、肌肉疲劳）和生物力学需求（如更高的组织负荷）[2]，但在许多工业制造工作中仍然需要大量的手臂抬举工作，如车辆底部和飞机机身内部的安装/维修工作等。而且，由于成本和工作特点，这些工作不易被取代。

如今，机器人已经越来越多地被用于执行负重抬举工作。然而，机器人不像人类工人那样能够敏捷、全面和机智地解决问题。因此，工业环境中的大部分手臂抬举作业无法由机器人完成[9]。近年来，外骨骼技术在军事[10]和康复应用[11-12]领域取得成功后，越来越受到制造业的关注。外骨骼是一种可穿戴结构或系统，旨在通过为身体关节提供辅助扭矩或结构支撑来增强穿戴者的力量或敏捷性，从而减少诱导因素对人体肌肉和关节的影响[13]。根据工作原理，可分为有源外骨骼和无动力外骨骼[14]。无动力外骨骼无需任何外部电源，而是使用材料弹簧或阻尼器来存储人体运动时的能量，并在需要时释放[15-16]。有源外骨骼则需要一个或多个执行器，通过驱动人体关节为人体提供动力。执行器可以是电机、液压、气动等[17]。外骨骼技术越来越成熟，许多已商业化并应用于市场，或至少处于研发阶段[18-20]。然而，这些外骨骼的可靠性和安全性，特别是工业应用中的无动力机械外骨骼，尚未得到探索和评估[15-16]。

现有的关于外骨骼应用效果的研究报告中，很少有关于制造过程中手臂提升或抬举工作的调查[6]。Rashedi等[21]对重复性手臂抬举作业进行了模拟，其中使用商业外骨骼背心和机械臂可减少肩部肌肉的疲劳和不适高达50%。Looze等[22]讨论了外骨骼对缓解身体风险因素的影响，特别是涉及手工材料处理任务，例如提升和搬运。Butler[23]和Spada等[9]测试了一种名为AIR-FRAME的商用无动力上肢助力机械外骨骼，其中汽车装配线上的工人完成了涉及手臂抬起和运动姿势的任务，结果显示，工人的生产力提高了86%、肩部不适减少，并强调了安全专业人员需要在将外骨骼引入工作场所之前了解其潜在的好处和安全挑战。Kim等[6]进行了模拟，以评估外骨骼在重复的手臂抬举钻孔和轻型装配任务中的使用，结果发现，使用外骨骼可以降低标准化的肩部肌肉疲劳水平，例如，峰值疲劳降低45%，钻孔任务完成时间缩短近20%。上述文献表明，使用外骨骼可以减轻使用者在手臂抬举作业中的身体负担，在某些情况下还能提高工作效率。

本文介绍了一种重量轻（1.9 kg）、自由度高（上肢活动不受阻碍）、价格实惠（约2000$）的无动力助力上肢机械外骨骼（Passive Upper Limb Assist Exoskeletons，UPAE）[24]。旨在评估UPAE如何助力工业工人完成重复的上臂抬举任务。还调查了设备在不同上臂抬举高度执行任务时的不适，特别是确定颈部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部如何受设备影响。并分析了肌电图（Electromyography，EMG）、主观评分和来自选定肌肉群的参与者反馈，以评估UPAE的效果。

1 方法

1.1 受试者

本研究中，15名健康的男性（年龄28.6±4.2 y，体重68.5±12.3 kg，身高1.73±0.15 m）自愿参加实验，右手为优势手。在过去的12个月中，无任何肌肉骨骼疾病或障碍。参与者在被告知实验流程后，阅读并签署了经华南理工大学研究伦理委员会（华南理工大学，中国广州，编号：190821-013-07）批准的道德同意书。

1.2 无动力上肢助力机械外骨骼

如图1所示，UPAE由臂托、储能单元、背部支撑、背带和腰带组成。总重量为1.9 kg，比其他同类系统[25-27]更轻。拟人化的设计使UPAE可以做出与用户相同的动作，从而提供更大的运动自由度。铰接臂支架和靠背支架主要由碳纤维和航空铝制成。UPAE上使用了被动悬架系统，每个能量层单元是一个由拉簧驱动的执行器。当佩戴者在静态或准静态位置抬起手臂时，UPAE会在肩部周围产生不同的支撑力来支撑佩戴者的手臂。具体而言，UPAE有一个与上臂套筒耦合的扭矩产生装置。当用户抬起手臂时扭矩逐渐增加，而当放下手臂时扭矩减小。该评估是使用不同高度的模拟间歇性上臂抬举任务完成的。使用主观评分、选定肌肉群的EMG和参与者反馈来评估身体需求。

1.3 重复手臂抬举安装螺栓的模拟任务

重复安装标准螺栓是在汽车制造业等工业环境中常见的手臂抬举作业。实验模拟职业手臂抬举作业，用冲击扳手将六角螺栓（M6）安装在不同手臂抬举高度（低、中、高）的朝下孔中，如图2所示。孔位位于可调节高度的横梁上。

这项任务不是为了模拟任何特定的职业，而是为了捕捉手臂抬举作业的需要。不同作业水平的数据通过人体测量学测量优势手和手臂获得：肩部和肘部屈曲至90°、上臂旋转中立时的手高（A），以及上臂完全屈曲（最大过头伸展）且肩部平行于地面（即肩部不抬高）时的手高（B）。然后将低水平高度设置为A，将中水平高度设置为[A＋0.40（B－A）]，将高水平高度设置为[A＋0.80（B－A）][28]。模拟中使用的冲击扳手（质量2.33 kg）是在汽车和飞机装配过程中完成手臂抬举作业任务的标准工具[6]。在实际拧紧螺栓的情况下，要求参与者根据Alabdulkarim等[29]提出的现有测试方法将与六角螺栓接合的扳手保持在相对固定的位置。任务中使用了不同的工作高度，并为所有参与者设置了固定的休息和工作时间。

1.4 测试流程

参与者完成了两个至少相隔7天的实验测试课程[21]。

第一次课程首先向参与者介绍了UPAE的使用和注意事项，以熟悉外骨骼，因为此任务对他们来说是新的。然后要求参与者在使用和不使用UPAE的情况下在不同的手臂抬举高度练习螺栓安装任务。在每项任务中，参与者都被鼓励找到他们最喜欢的工作姿势。参与者还被要求在使用Borg CR10量表[30]的同时完成靠墙坐姿[31]，并在任务期间评估大腿的感知不适（Perceived Discomfort，RPD）。该课程用于确保参与者理解并使用评分量表进行练习[28]。

第二节课程用于评估使用UPAE在不同手臂抬举高度的任务中对肩部身体需求和工作表现的影响。每个参与者在包括干预（使用UPAE及不使用UPAE）和工作高度（低、中、高）在内的六种条件下以随机顺序执行模拟手臂抬举工作任务。在给定的条件下，干预和工作高度的顺序在所有參与者之间交替进行。对于每个给定的条件，模拟手臂抬举工作任务重复20个周期（10 min），工作占比50%，每个周期时间为30 s（由节拍器控制，每个周期工作15 s、休息15 s）。具体来说，0～3 s，要求每个参与者右手握住冲击扳手，左手握住螺栓，使扳手与螺栓啮合、螺栓与孔啮合，该位置保持12 s。15～18 s，要求参与者从工作位置恢复到直立位置，并将扳手放在与腰部高度一致的桌子上，然后手自然下垂，保持12 s。上述工作和休息交替进行，直到测试结束。参与者在所有实验条件下（使用和不使用UPAE，低、中和高工作高度）均被允许选择一个舒适的脚位（相对于孔位）。每两次实验之间至少提供15 min的休息时间，以尽量减少残余疲劳的潜在影响。

在每个实验期间测量双侧EMG信号。EMG测试的肌肉是三角肌前束（Anterior Deltoid，AD）、三角肌中束（Mid Deltoid，MD）、斜方肌下束（Trapezius，TR）和肱三头肌（Triceps Brachii，TB）[6，21]。在每种条件下进行测试之前，记录一组EMG值。

原始EMG值以1200 Hz的采样频率采集每1 min中15 s（工作时间）的数据。然后对信号进行带通滤波处理（20～500 Hz，四阶巴特沃斯，双向）。实验的测试过程参照Nussbaum[32]制定的程序作为EMG测试的标准。每次实验后，参与者在保持工作任务姿势的同时，在两侧进行最大随意等长收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC），并尽可能用力抬起手臂。每块肌肉至少进行3次MVC试验，每两次试验之间至少休息1 min。所有试验的最大值被记录为MVC并对所有肌肉进行标准化。

RPD量表用于每次实验时颈部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部的感知评估。对于身体的左侧和右侧，用RPD量表进行评级并记录平均评分。在每种条件下，记录测试前的RPD评级，然后在整个测试期间每2 min评估一次。测试后对总RPD值进行评级和记录。

完成所有实验后，要求每个参与者提供意见或评论，例如关于UPAE的可用性、不适部位、对力量的感知、优点和缺点。

1.5 仪器仪表和数据处理

在本实验中，ME60-8（Bittium Inc，Kuopio，

Finland）肌电图系统用于捕获肌电数据。采样频率设置为1200 Hz，带通滤波20～500 Hz。共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）110 dB，输入阻抗10 GΩ，增益1000，噪声级＜1 μV，灵敏度0.2 μV，信号A/D转换为12 bit。用酒精湿巾清洁皮肤区域以减少干扰和噪音[33]，并将Ag-AgCl表面电极（MediTrace，MA，USA）成对连接到肌肉腹部，中心距为2.5 cm。在每个实验中，使用截止频率为3 Hz的四阶巴特沃斯滤波器（双向）对所有原始EMG信号进行整流和低通滤波，以生成线性包络。每次试验前3 s收集的EMG数据后期不进行处理，以减少过渡期误差。然后在每一次试验中，计算EMG均方根（Root Mean Square，RMS）值，并确定肩部肌肉活动（即所有肩部肌肉RMS值的总和）的中位数（50%）[34]。对在MVC期间获得的EMG执行了类似的过程。然后将实验期间获得的初始RMS值和中值RMS值归一化为相应的参考RMS值。

1.6 数据处理

本研究中的自变量是干预（使用UPAE vs不使用UPAE）和工作高度（低 vs 中 vs 高），因变量是身体七个部位（颈部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部）和左右四块肌肉（AD、MD、TR和TB）的肌肉活动。在比较结果之前，使用截止频率为2 Hz的二阶高通巴特沃斯滤波器来消除直流偏移（Direct Current Offset）和运动伪影。经检验，EMG数据和RPD（Relative Percentage Difference，相对百分比差异）值均呈正态分布。因此，对其进行重复测量方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）测试得到F值以评估UPAE使用与否对RMS幅度和RPD值的影响。该统计检验的所有显著（a＜0.05，其中a代表显著值）主效应均使用Bonferroni校正方法进行配对t检验，通过该检验得到更准确的a，以降低I类错误率（要求   a＜0.016）[35-36]。使用eta squared（η2）报告效应大小[6，37]。对15名参与者的标准化后的肌肉信号数据分别进行平均，作为干预的比较数据。对最终RPD值进行重复测量的方差分析，以评估干预和工作高度对手臂抬举作业任务10 min后产生的不适程度的影响。所有数据使用SPSS 22.0（SPSS Corporation，Chicago IL，USA）进行处理分析。

2 结果

2.1 肌电图

本研究中重复性手臂抬举作业任务的EMG统计结果如表1、表2、图3、图4所示。其中，RAD、LAD为右、左三角肌前束；RMD、LMD为右、左三角肌中束；RTR、LTR为右、左斜方肌下束；RTB、LTB为右、左肱三头肌；*为p＜0.05的显著性水平；**为p＜0.01的显著性水平；误差线表示标准偏差。

由表1和表2可以看出，干预和工作高度对监测的大多数肩部肌肉群的初始和中值nRMS具有显著的主效应。此外，干预×工作高度的交互显著影响初始和中值nRMS；时间也显著影响肩部肌肉群的中值nRMS。然而，干预×时间的交互仅对RAD和RMD有显著影响，工作高度×时间的交互仅对RMD和LAD有显著影响。

由图3和图4可以看出，UPAE在高水平高度条件下对初始和中值nRMS减少最大，在中水平高度下减少最小。高水平高度下，RAD初始nRMS值下降38.5%，RMD下降33.1%，RTB下降30.7%，LAD下降32.2%。所有这些肌肉的减少都是显著的。RAD的中值nRMS显著下降45.1%，RMD下降33.1%，RTB下降32.2%，LAD下降33.5%，LMD下降31.7%。

2.2 感知不适评分

RPD的平均（标准偏差）结果和方差分析结果如表3所示。干预对肩部、上臂和前臂的RPD有显著影响。工作高度对颈部、肩部和上臂的RPD有显著影响。然而，干预×工作高度的交互仅对上臂的RPD有显著影响。参与者报告的所有RPD平均分数在三个高度均低于5。佩戴UPAE总体上降低了整体不适感。与低水平和中水平高度相比，当参与者在高水平工作高度进行工作时，这种减少最为显著（51.3%）具有统计学意义，如图5所示。在中水平高度整体不适感低，在低水平高度有中等程度的不适感。

2.3 参与者反馈

作为研究后对未来设计的反馈，约20%的参与者报告手臂不适，用力过大或失去运动范围；只有一名参与者报告使用UPAE时胸背部和腰背部不适。询问所有参与者在执行不同级别手臂抬举作业任务时是否愿意使用UPAE，11人表示愿意、4人表示不愿意。所有参与者都报告说，他们可以感觉到UPAE在手臂抬举作业期间支撑了上肢，并在要求重复螺栓安装时帮助他们保持冲击扳手与六角螺栓接合。

3 讨论

3.1 外骨骼对人体肌肉的影响

手臂抬举作业被认为是上肢WMSDs的一个重要风险因素[21]。本文的目的是研究无动力上肢助力机械外骨骼对手臂抬举作业任务的潜在影响。通过评估初始和中值nRMS的变化来量化参与者的肌肉活动状态和感觉，并使用基于Borg量表的RPD对参与者的关键身体部位进行评分[6]。实验结果表明，UPAE的使用对参与者在模拟任务中进行手臂抬举作业是有帮助的，其降低了除LTR之外的所有肩部肌肉的初始和中值nRMS，尤其在较高水平高度更为有效。穿戴UPAE对RAD、RMD、RTB和LAD初始nRMS值影响显著，表明最初穿戴UPAE后，上述肌肉的负荷显著减少。随着实验时间的推移，nRMS值的变化被解释为局部肌肉疲劳的迹象[38]。穿戴UPAE时，RAD、RMD、RTB、LAD和LMD中值nRMS显著降低，表明这些肌肉的疲劳程度有所降低。尽管尚未明确定义与肌肉疲劳相关的因素会导致特定上肢WMSDs[21]，但肌肉疲劳被认为是导致疼痛[39]、关节疾病[40]和软组织损伤[41]的重要因素。因此可以认为，使用UPAE有可能降低重复性手臂抬举作业中上肢WMSDs的风险。然而，需要进一步的后续实地研究来确认这种干预方法在降低上肢WMSDs风险和在使用手臂抬举进行作业的工人身上的潜在长期益处。

3.2 舒适度与有效性的评价

与EMG数据相比，主观测量RPD对最终报告值和时间变化都具有出色的可靠性[28]。在这项研究中，参与者报告说，穿戴UPAE后，肩部、上臂和前臂的RPD显著降低，这与之前的研究一致[21，23，42]。结果表明，UPAE对减轻肩部、上臂和前臂在抬举作业中的不适有一定的作用。RPD测量的结果表明，在最高水平工作高度下不适感最大，这可能是由于疲劳率的非线性增加导致肌肉活动具有高线性度。换句话说，参与者可能会显著报告较高工作水平的不利影响，即感知到的不适[32，43]。穿戴UPAE后，在高水平工作高度下的总RPD评分下降幅度最大，原因可能是参与者最有可能在最疲劳的条件下感受到更多来自UPAE的支持力。

大多数参与者对使用UPAE的体验持肯定态度，并愿意在手臂抬举作业期间，尤其是在高水平工作高度时，继续使用UPAE。该结果与RPD测试的结论一致。然而，一些参与者报告了将UPAE佩戴在肩膀和手臂上的不适，并建议改进UPAE的人体测量学。其中三名参与者进一步反映，UPAE提供的支撑力太大，需要花些力气才能放下胳膊。发生这种情况是因为将支持力设置为固定的中等力度水平，以便使实验中的变量类型尽可能少。低强度力度级别可能更适合这三个参与者。一些人报告说，穿着UPAE后上身运动受到限制，可能的原因是UPAE的主要结构是由刚性而不是柔性材料制成的；另一个可能的原因是，腰带、胸带或背带等部位在使用过程中被绑得太紧。

总体来说，使用UPAE将大大降低上肢肌肉的身体需求（例如RAD、RMD、RTB、LAD、LMD），但对其他肌肉的身体需求影响相对较小（例如RTR、LTR、LTB）。UPAE的使用减轻了肩部、上臂和前臂的不适感，但身体其他部位的不适感减少较少或没有改变。对这种差异的一种可能性解释是，UPAE的使用不足以对这些区域产生重大影响或帮助。

3.3 需要考虑的因素

本研究中有几个问题需要进一步考虑。首先，本研究参与者相对年轻且健康，没有覆盖所有工作人口。尽管使用UPAE的效果显著，但未来的研究中有更多的参与者将更有益。其次，这项研究仅限于短期手臂抬举作业。未来的研究可能集中在长期使用UPAE的影响及其对上肢的潜在影响。一些研究人员认为，长期使用躯干矫形器可能会导致躯干肌肉无力[44]，使用UPAE可能会产生类似的效果。第三，本研究仅限于受控的实验室环境，测试过程标准化，与实际的工业环境不同。一些研究人員提出，不同的工作环境可能会影响外骨骼的测试结果[45]。第四，模拟手臂抬举作业对参与者来说是新的体验。虽然参与者在测试前进行了几次练习，但短期培训不足以完成螺栓安装任务或使用UPAE。有经验的工人使用UPAE的效果可能不同。第五，这里使用的基于EMG的测量可能对所涉及的中低水平间歇性收缩的疲劳指标不够敏感[28，38]。缺乏敏感性可以解释EMG测量中干预×时间的相互作用普遍无显著性，这与更实质性和一致的干预对感知不适的影响结果相反[21]。在本文中，测量和分析了上肢和肩部肌肉的EMG活动，然而，在不同手臂抬举高度进行实验任务，实际上需要上肢肌肉和下肢肌肉活动的协调配合，因此，缺乏对下肢肌肉的EMG测试也是一个研究限制。

总之，这项研究表明，使用UPAE可以有效地帮助工人进行短期手臂抬举作业。在高水平工作高度上，辅助效果尤其明显。特定工作场所涉及手臂抬举作业的职业任务无法被完全替代[46]，这是上肢WMSDs的重要诱发因素，因此，对UPAE等辅助器具的研究具有重要意义。未来有必要对UPAE进行更深层次的研究和设计改善，评估在实际工作环境（例如汽车、飞机装配线）中使用UPAE对不同人群的长期影响。

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