一种被动式肩部外骨骼的开发及其肌电图（EMG）与代谢评估：该外骨骼可为手臂大幅抬高提供可调节的支持

《Applied Ergonomics》：Development and EMG/metabolic assessment of a passive shoulder exoskeleton providing adjustable support for high arm elevation

本研究评估了一种新型可调式被动上肢外骨骼在90°-135°臂抬高的效果，发现使用外骨骼可显著降低前束肌和小臂屈肌的肌肉活动（p<0.05），同时减少能量代谢消耗（RER降低5.2%, p=0.003）。实验采用10名男性参与者进行重复性负重运动，通过表面肌电和代谢监测验证了外骨骼在提高肩部支撑效率方面的有效性，特别在高于100°的臂抬高角度下表现突出。

　　### 解读：新型可调节肩部助力外骨骼对肌肉活动和代谢成本的影响

近年来，随着工业和医疗领域的不断发展，外骨骼技术在减轻体力劳动中的作用日益受到关注。特别是针对需要长时间进行上肢重复性动作的工作，如制造、装配、仓储等，这些任务往往伴随着肩部和背部的高负荷，容易引发肌肉骨骼疾病（Musculoskeletal Disorders, MSDs）。MSDs不仅是个人健康和工作效率的威胁，还会对社会福利系统和企业运营造成沉重负担。因此，研究和开发能够有效减轻肌肉负担、提高工作舒适度的外骨骼装置变得尤为重要。

本研究提出了一种新型的被动式上肢外骨骼，其特点是可根据手臂抬升角度提供最大支持。通过对比使用外骨骼与不使用外骨骼两种情况，研究人员评估了该装置在重复性上肢任务中的效果。实验中，10名健康男性参与者被要求在90°至135°的肩部抬升范围内，沿正弦轨迹移动一个2.5公斤的重物。研究结果表明，外骨骼显著降低了前三角肌和肱二头肌的肌肉活动水平，而其他肌肉群如下斜方肌、背阔肌、竖脊肌和胸大肌则表现出数值上的减少，但未达到统计学显著性。此外，外骨骼的使用还导致了氧气消耗和呼吸交换比（RER）的显著下降，但心率和呼吸频率的变化则未显示出统计学意义。

### 研究背景与意义

肌肉骨骼疾病仍然是欧洲联盟（EU）最常见的一种职业健康问题，据2019年全球疾病负担研究，全球范围内MSDs的发病率高达3.2275亿次。在制造业中，这些疾病占职业病的超过40%。其中，肩部和背部是受影响最严重的区域，分别占所有MSDs的15.2%和39%。这不仅影响了工人的健康和生产力，也给医疗系统带来了巨大的压力。例如，英国国家统计局报告称，国家卫生服务（NHS）每年用于治疗和辅助工作相关MSDs的费用超过50亿英镑。此外，企业也会因MSDs而遭受损失，德国2018年的数据表明，仅因MSDs导致的生产损失就高达172亿欧元，占GDP的1%。

鉴于MSDs的广泛影响，企业开始尝试用机器人替代人工。然而，对于需要灵活性、适应性和精确操作的任务，人类仍然具有不可替代的优势。因此，研究者们转向开发辅助设备，如外骨骼，以减轻人工负担。被动式外骨骼因其体积小、安全性高、生理运动范围匹配度好以及成本较低等优点，相较于主动式外骨骼更受欢迎。然而，目前大多数被动式肩部外骨骼的助力最大值集中在约80°至100°的肩部抬升角度，这与许多需要高抬升角度的工业任务不符。因此，开发一种能够根据不同的肩部抬升角度提供最大支持的外骨骼具有重要的现实意义。

### 研究设计与方法

本研究的外骨骼设计基于一个可调的助力机制，通过弹簧和绳索系统实现对肩部运动的支持。该装置可以适应不同身高和体型的使用者，确保每个用户都能获得最佳的助力效果。实验中，参与者在使用外骨骼和不使用外骨骼两种情况下进行相同的重复性任务，每次任务持续1分钟，随后休息1分钟，共进行5轮，总计10分钟。实验后，参与者再次重复任务，但以相反的条件进行，以进一步验证外骨骼的效果。

为了评估外骨骼的性能，研究人员记录了参与者的肌肉活动和代谢成本。肌肉活动通过表面肌电图（sEMG）进行测量，采集频率为1260 Hz。代谢数据则通过便携式肺功能监测仪（Cosmed-K5）进行采集，记录每10秒的氧气消耗（VO?）、二氧化碳排放（VCO?）和呼吸交换比（RER）。此外，心率（HR）也被记录，以评估任务中的生理负荷。

实验设计特别考虑了多平面运动和躯干旋转，以更贴近真实的工作环境。这种任务模式可以更好地模拟实际工作中复杂的上肢动作，提高研究结果的生态效度和实际应用价值。通过这种设计，研究人员能够更全面地评估外骨骼对不同肌肉群的影响，以及其在不同肩部抬升角度下的表现。

### 实验结果与分析

研究结果显示，使用外骨骼后，前三角肌和肱二头肌的肌肉活动显著降低。具体而言，右侧前三角肌的活动减少了33.0%，左侧减少了20.1%。这一结果与前人研究相一致，表明外骨骼在减轻主要肩部运动肌肉的负荷方面具有显著效果。此外，肱二头肌的活动也有所下降，右侧减少30.9%，左侧减少25.3%。这些肌肉的活动降低可能是因为外骨骼在肩部抬升过程中提供了有效的辅助，减少了肌肉的主动收缩需求。

然而，其他肌肉群如下斜方肌、背阔肌、竖脊肌和胸大肌的活动减少并未达到统计学显著性。这可能是因为这些肌肉在任务中主要承担稳定性和辅助作用，外骨骼的辅助力度不足以显著改变其活动水平。此外，研究还发现，使用外骨骼时，氧气消耗和RER有所下降，但心率和呼吸频率的变化并不显著。这一现象可能与外骨骼对呼吸模式的影响有关，尽管其设计限制了膈肌的运动，但整体的呼吸频率增加可能只是身体对某些代谢变化的适应性反应。

值得注意的是，RER的降低表明，外骨骼的使用可能减少了身体进入无氧代谢的状态，从而降低了疲劳感。实验数据显示，使用外骨骼的参与者在任务期间处于无氧代谢状态的时间显著减少，这可能意味着他们能够更长时间地保持高效工作，而不会迅速感到疲劳。这一发现为外骨骼在减轻工作负担和提高工作效率方面的应用提供了理论支持。

### 讨论与应用前景

研究结果表明，新型可调节肩部外骨骼在特定肌肉群的活动降低方面表现出色，尤其是在前三角肌和肱二头肌上。这些肌肉是肩部抬升和前臂运动的主要执行者，外骨骼的有效辅助可以显著减少其负荷，从而降低肌肉疲劳和受伤风险。然而，对于其他肌肉群如下斜方肌和背阔肌，外骨骼的影响较为有限，这可能是因为这些肌肉在任务中更多地参与稳定性维持，而不是主动运动。

从代谢角度来看，外骨骼的使用导致了氧气消耗和RER的显著降低，但心率和呼吸频率的变化并不显著。这可能是因为心率和呼吸频率受多种因素影响，包括心理状态、任务难度和个体差异。此外，实验中使用的任务模式涉及无氧代谢，这可能影响了代谢参数的准确性。因此，未来的研究可以考虑引入乳酸浓度测量，以更全面地评估外骨骼对代谢的影响。

从实际应用的角度来看，该外骨骼的设计允许用户根据不同的任务需求调整最大支持角度，这一特点在需要高抬升角度的工业任务中尤为重要。例如，电气安装、汽车装配和仓储作业等任务通常需要手臂抬升至150°以上，而传统外骨骼的助力峰值通常在90°左右，无法满足这些任务的需求。因此，本研究提出的可调节助力机制具有重要的创新意义，能够扩展被动式外骨骼在高抬升任务中的应用范围。

然而，该研究也存在一定的局限性。首先，样本量较小，仅包括10名健康男性，这可能影响研究结果的普遍性和统计显著性。其次，实验任务虽然模拟了真实工作环境，但仍缺乏更复杂的工业操作场景，未来可以考虑在更接近实际工作条件的环境中进行测试。此外，研究未对其他类型的外骨骼进行直接比较，因此无法明确该设计相较于现有外骨骼的优势。

### 结论与展望

综上所述，本研究的新型可调节肩部外骨骼在减轻特定肌肉群的负荷和降低代谢成本方面表现出良好的效果。尽管某些肌肉群的活动变化未达到统计学显著性，但整体趋势表明外骨骼能够有效减少肩部和上肢的肌肉疲劳，提高工作效率。此外，该设计允许用户根据不同的任务需求调整最大支持角度，这一特性在高抬升角度的任务中尤为重要。

未来的研究应进一步扩大样本量，增加不同体型和性别参与者的比例，以更全面地评估外骨骼的适用性和效果。同时，研究者应考虑将外骨骼与已有的工业外骨骼进行直接比较，以验证其在实际应用中的优势。此外，引入更复杂的任务模式和测量方法，如乳酸浓度和更详细的代谢分析，将有助于更准确地评估外骨骼对肌肉和代谢的影响。

本研究的成果不仅为被动式外骨骼的设计提供了新的思路，也为工业和医疗领域的应用提供了理论依据。随着技术的不断进步和需求的持续增长，可调节肩部外骨骼有望在未来成为减轻职业性肌肉骨骼疾病的重要工具。