基于力矩-角度方程的低背部外骨骼支撑力矩预测模型构建及其在职业损伤预防中的应用

针对被动式低背部支撑外骨骼（BSE）力矩输出特性不明确的问题，研究人员采用等速肌力测试系统（Biodex System 4）量化SuitX BackX和Laevo V2.5外骨骼在全运动范围（ROM）内的力矩-角度关系，建立多项式回归模型。该研究为工作场所外骨骼选型及数字人体建模（DHM）技术集成提供数据支撑，对预防职业性肌肉骨骼损伤（WMSD）具有重要意义。

　　

在制造业领域，低背部损伤已成为职业健康的首要威胁。加拿大安大略省制造业工伤中15%涉及腰部，美国2021年相关损失高达82亿美元。被动式低背部支撑外骨骼（BSE）虽能通过机械支撑减轻负荷，但制造商仅提供峰值力矩参数，缺乏全运动范围（ROM）内力矩-角度关系的系统数据，导致用户难以匹配任务需求。

为破解这一难题，研究人员采用等速肌力测试系统（Biodex System 4）对两款商用BSE（SuitX BackX和Laevo V2.5）进行多角度（5-112°）、多速度（5-60 deg/sec）测试。通过多项式回归分析建立预测模型，相关成果发表于《Applied Ergonomics》。

关键技术方法

1. 等速肌力测试：将外骨骼刚性固定于Biodex系统，模拟躯干屈伸运动

2. 多条件加载：测试5种角速度下的力矩输出特性

3. 回归建模：基于最小均方误差（MSE）选择7-9阶多项式方程

研究结果

Exoskeletons

两款外骨骼在0-5°ROM内无阻力矩产生，SuitX在高支撑模式下最大力矩达24.5 N·m，显著优于Laevo（18.3 N·m）。

Polynomial regression

7-9阶多项式模型能准确预测全ROM力矩（R²>0.95），屈曲阶段力矩输出比伸展阶段高15-20%，证实力矩滞后现象。

Discussion

速度对力矩无显著影响（p>0.05），但支撑设置和运动方向是关键变量。SuitX的力矩输出曲线呈双峰特征，而Laevo为单峰模式。

Limitations

等速测试无法完全模拟人体动态补偿机制，未来需结合肌电（EMG）验证。

结论与意义

该研究首次建立被动BSE的力矩-角度预测方程，为数字人体建模（DHM）提供关键参数。特别发现：

1. 屈曲相力矩增强效应可优化搬运作业保护

2. 多项式模型支持虚拟工作场景外骨骼效能预评估

3. 滞后特性提示需针对升降动作差异化设计

作者团队（Jarrod A. Smith等）强调，这些方程可作为行业标准测试的基础，助力《职业安全健康条例》中外骨骼应用规范的制定。Mitacs Inc资助项目（IT37963）的后续研究将聚焦真实工作场景下的生物力学验证。