FleXo：一种灵活的被动式外骨骼，专为减轻手动搬运任务中的下背部压力而设计

《Frontiers in Robotics and AI》：FleXo: a flexible passive exoskeleton optimized for reducing lower back strain in manual handling tasks

FleXo是一种轻量（1.35kg）、灵活且被动的外骨骼，通过模块化设计（含4个MAV组件）优化力学参数，减少搬运任务中的下背部压力。实验表明其能显著降低用户体力消耗（NASA-TLX评分降低）并提升满意度（QUEAD问卷），同时保持腰部旋转自由度，相比商用外骨骼Laevo V2更舒适且无活动限制，验证了被动支撑系统的有效性。

　　肌肉骨骼疾病（MSD）是全球最常见的职业健康问题之一，尤其是下背部疼痛（LBP），对个人健康和经济体系造成严重影响。这种疾病不仅影响了工人的生活质量，还导致医疗成本上升、生产力下降和赔偿请求增加，给社会和企业带来了沉重的负担。下背部疼痛是最常见的 MSD，它被认为是全球工作年龄人群中残疾的主要原因。随着工业发展的不断推进，许多职业需要重复性的体力劳动，例如频繁地搬运重物或进行长时间的弯腰和蹲下操作，这些活动显著增加了下背部疼痛的风险。因此，设计一种既能有效减轻下背部负担，又不会影响用户正常活动的背支撑外骨骼成为了一个重要课题。

FleXo 是一种轻量（1.35 千克）、灵活、符合人体工学且被动的背支撑外骨骼。它的设计理念旨在减少下背部在搬运任务中的压力，同时不影响用户的活动自由度，如行走、坐立或侧弯。传统被动外骨骼在提供支持的同时，往往会对用户的活动范围造成限制，而 FleXo 通过优化设计，不仅平衡了功能性和舒适性，还提升了用户满意度，促进了工作场所的安全性，降低了受伤风险，并减少了与下背部疼痛和损伤相关的社会和企业成本。

为了实现这一目标，FleXo 的设计采用了先进的多目标优化方法。这种优化方法通过考虑多种因素，如力的分布、用户舒适度和外骨骼的结构性能，确保了其在支持用户搬运任务的同时，不会对下背部产生额外的压力。此外，FleXo 的结构基于一种名为“模块化辅助椎体”（Modular Assistive Vertebra, MAV）的专利机制，每个 MAV 由两个滑轮和一条弹性带组成，通过“S”形排列方式传递力量。这种方式简化了机械结构，同时确保了弹性带在用户脊柱周围形成一个平面力场，减少了对脊椎的压缩力。

FleXo 的结构分为四个独立的 MAV 模块，分别对应颈椎、胸椎、腰椎和骶骨区域。这些模块通过 3D 打印的热塑性聚氨酯（TPU）杆连接，使得整个外骨骼可以适应用户的弯腰和侧弯动作，同时保持对压缩力的抵抗。每个 MAV 通过 Velcro? 带与服装连接，确保了结构的稳定性和舒适性。整个外骨骼的设计不仅考虑了人体的解剖结构，还充分考虑了不同用户在搬运任务中的动作模式和生理差异，从而优化了力的分布和作用方式。

为了验证 FleXo 的设计效果，研究团队进行了用户反馈实验。实验中，十五名健康的男性志愿者参与了不同的搬运任务，分别使用了四种不同的辅助条件：无外骨骼（Noexo）、外骨骼未连接弹性带（FNC）、FleXo 和商用外骨骼 Laevo V2。实验采用了标准化的问卷调查，包括 NASA 任务负荷指数（NASA-TLX）和问卷评估物理辅助设备（QUEAD），以评估用户对 FleXo 的主观感受、工作负荷、使用满意度和整体舒适度。此外，实验还结合了表面肌电图（EMG）记录和运动学分析，以量化下背部肌肉的活动水平和外骨骼对用户动作的影响。

NASA-TLX 的结果显示，FleXo 在降低用户感知的体力需求和努力程度方面表现突出。在所有三种搬运方式（自由、蹲起和弯腰）中，使用 FleXo 的参与者在物理需求和努力方面的评分显著低于未使用外骨骼的对照组。此外，FleXo 在减少用户的挫败感方面也优于 Laevo V2，因为后者在用户动作自由度上有所限制，从而引发了更高的不舒适感。相比之下，FleXo 不会对用户的活动范围产生显著影响，因此不会引发类似的挫败感。

QUEAD 问卷进一步支持了这些结果，显示 FleXo 在功能性、易用性、安全性和舒适性方面均获得了用户的高度评价。参与者普遍认为 FleXo 是一种高效、简便且符合人体工学的背支撑外骨骼，能够在不牺牲活动自由度的情况下提供足够的支持。这些反馈表明，FleXo 不仅在技术上具有优势，而且在用户体验方面也表现出色，为职业健康和安全提供了实际的解决方案。

从肌电图（EMG）数据来看，FleXo 在降低下背部肌肉活动方面表现出良好的效果。研究发现，使用 FleXo 的参与者在搬运任务中的下背部肌肉活动显著减少，尤其是当他们采用弯腰方式时，这种减少更为明显。这表明，FleXo 能够有效分担搬运任务中对下背部的负荷，从而降低因重复性体力劳动导致的肌肉疲劳和损伤风险。然而，研究也指出，尽管 FleXo 在降低肌肉活动方面表现良好，但其效果在某些情况下可能不如主动型外骨骼，因为主动型外骨骼可以提供更精确的助力，以适应不同的任务需求。

此外，运动学分析表明，FleXo 并未对用户的活动范围产生显著影响。在所有测试条件下，用户在弯腰、蹲起和自由动作中的躯干弯曲角度变化不大，说明 FleXo 的设计在不影响用户自然动作模式的同时，提供了有效的支持。这种特性对于需要灵活操作的职业尤为重要，因为许多工作场景中，用户需要频繁地进行不同类型的活动，而不仅仅局限于搬运任务。

FleXo 的设计还考虑了材料的轻量化和舒适性。其主要结构由 3D 打印的 Acrylonitrile Butadiene Styrene（ABS）板和 Velcro? 带组成，使得外骨骼既坚固又便于调整。此外，弹性带的设计也充分考虑了人体工学，使得力量能够均匀分布，减少对脊椎的局部压力。这种设计方式在保持外骨骼功能性的前提下，提高了用户的佩戴舒适度。

实验结果显示，FleXo 在减少用户体力负担和提高满意度方面具有显著优势。与商用外骨骼 Laevo V2 相比，FleXo 不仅在物理需求和努力程度上表现更优，而且在用户对设备的舒适度和整体体验上也更胜一筹。这些结果表明，FleXo 可以作为一种有效的背支撑外骨骼，广泛应用于需要频繁搬运重物的职业环境中。

尽管 FleXo 在当前实验中表现出色，但研究团队也指出了其潜在的改进方向。首先，外骨骼的尺寸限制了其适用人群的范围，目前只能适用于身高至少 1.75 米的男性。因此，未来的改进工作将重点放在扩大外骨骼的适用性上，使其能够适应更多不同体型的用户。其次，研究团队计划进一步优化外骨骼的硬件设计，例如引入半主动机制，使外骨骼能够根据用户的动作动态调整刚度，从而提供更个性化的支持。此外，通过更复杂的实验设计，研究团队希望进一步验证 FleXo 在不同任务中的性能，并探索其在长时间或高强度搬运任务中的潜在效果。

总体而言，FleXo 的设计为解决职业性下背部疼痛问题提供了一种创新的解决方案。它通过优化的机械结构和人体工学设计，在减轻下背部压力的同时，确保了用户的活动自由度。实验结果表明，FleXo 在降低体力需求、提高用户满意度和减少肌肉疲劳方面具有显著优势。未来的研究将进一步完善其设计，以适应更广泛的职业需求，并提升其在实际工作环境中的应用效果。