被动式腰部外骨骼在角速度变化条件下屈曲力矩与伸展力矩的比较

《Applied Ergonomics》：Comparison of flexion and extension moments from passive low-back exoskeletons as a function of angular velocity

本研究评估了被动腰部外骨骼SuitX-backX和Laevo-V2.5在不同激活水平（高/低）及角速度（10-60°/s）下的力矩输出，采用SPM双因素方差分析发现显著差异，为职业场景外骨骼选型提供依据。

　　这项研究聚焦于评估两种被动式低背支撑外骨骼（SuitX-backX 和 Laevo-V2.5）在不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出。低背损伤在需要大量体力劳动或重复性手动搬运任务的行业中非常普遍，给个人和社会带来了沉重的负担。在加拿大安大略省，低背损伤是最常见的职业伤害之一，2022 年这些伤害的总成本超过了 300 万美元。而在全国范围内，2021 年的躯干损伤数量超过了 84,000 例，其中制造业领域低背和躯干损伤的总人数达到了 195,730 例，相关成本在美国超过 82 亿美元。这些数据凸显了低背损伤在职业环境中的重要性，同时也强调了寻找有效防护手段的迫切需求。

外骨骼作为一种新兴技术，被广泛认为是降低职业伤害风险的有力工具。它们通过提供机械支持，减轻身体的物理负担，从而在一定程度上保护使用者免受损伤。然而，目前外骨骼制造商提供的信息有限，很少公布其产品的具体支撑能力。此外，对于这些设备在不同工作需求下的行为变化，尤其是面对变化的运动速度时，仍然缺乏系统的了解。因此，这项研究旨在填补这一知识空白，通过实验方法分析两种外骨骼在不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出，以期为职业应用中的任务特定外骨骼选择提供科学依据。

研究采用了动态测力台作为数据采集的平台，将外骨骼安装在测力台上，并在完整的运动范围内施加五种不同的加载速度（5°/s、10°/s、20°/s、30°/s、45°/s 和 60°/s）。通过使用统计参数映射（SPM）方法，研究人员比较了激活级别（高/低）和角速度之间的差异。SPM 方法是一种用于分析连续数据的统计工具，能够更全面地描绘力矩曲线的变化，而不仅仅是关注峰值值。这种方法对于理解外骨骼在动态任务中的表现尤为重要，因为许多职业活动，如搬运、装卸和弯腰等，都涉及快速和复杂的运动模式。

研究结果显示，两种外骨骼在不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出存在显著差异。这些发现与之前的研究有所不同，因为以往的许多研究主要关注峰值力矩，而忽略了整个力矩曲线的变化。通过分析整个力矩曲线，研究人员发现，外骨骼在不同速度下的表现并不一致，这表明在设计和应用外骨骼时，必须考虑到运动速度的影响。这一发现对于优化外骨骼的性能和确保其在实际工作环境中的有效性具有重要意义。

研究团队选择了两种外骨骼进行评估，SuitX-backX 和 Laevo-V2.5。这两种设备都具有两种激活级别，高和低。SuitX 的低激活级别支持范围比制造商报告的略小，从 20° 到 105°，而制造商声称的范围是 0° 到 112°。这一差异可能意味着实际使用中外骨骼的性能与官方说明存在一定的偏差，或者反映了不同激活级别下设备响应的细微变化。Laevos-V2.5 的支持范围在研究中也有所调整，但具体的数值并未在文中详细列出。

研究还强调了外骨骼设计中的关键因素，例如弹性元件的布局和运动机制的特性。这些设计特点直接影响外骨骼在不同运动条件下的表现。例如，弹性元件通常与竖脊肌对齐，用于在脊柱、骨盆、肩部和腿部之间分配负载，实现能量的储存和释放，从而增强支撑效果。此外，外骨骼中的减震器、特殊材料和弹簧等部件也在一定程度上影响了其支撑性能，尤其是在动态任务中。

在讨论部分，研究团队指出，尽管之前的研究已经比较了不同外骨骼模型的性能，但大多数研究仍然局限于峰值力矩的分析，未能全面描绘力矩曲线的变化。这可能限制了对外骨骼实际工作表现的准确评估。因此，采用 SPM 方法可以提供更细致的力矩曲线分析，帮助研究人员更好地理解外骨骼在不同运动条件下的行为特征。这种分析方法不仅能够揭示外骨骼在不同速度下的表现差异，还能够为未来外骨骼的设计和优化提供有价值的参考。

研究还提出了一种假设，即加载速度会对力矩曲线产生影响，尤其是在不同的运动阶段，如弯曲和伸展过程中。这一假设基于外骨骼设计中可能存在的滞后效应，即在弯曲和伸展过程中，外骨骼可能会表现出不同的支撑特性。这种滞后效应可能与外骨骼内部的机械结构和能量传递机制有关，因此在不同速度下，外骨骼的支撑力矩可能会有所不同。

研究的结论指出，这两种外骨骼在不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出存在显著差异，这表明在选择外骨骼时，必须考虑具体的工作任务和运动速度。例如，在需要快速动作的任务中，外骨骼的支撑性能可能会受到影响，因此在设计和应用过程中需要综合考虑这些因素。此外，研究还强调了外骨骼在不同激活级别下的表现差异，这可能意味着用户可以根据自身需求调整激活级别，以获得最佳的支撑效果。

研究团队在方法论上采用了严谨的实验设计，确保了数据的准确性和可靠性。通过安装外骨骼在动态测力台上，并在不同速度下进行测试，研究人员能够全面评估外骨骼的性能。同时，使用 SPM 方法不仅提高了分析的精度，还能够揭示外骨骼在不同运动阶段的动态特性。这些数据为未来外骨骼的研究和应用提供了重要的基础，尤其是在职业安全和健康领域。

研究还提到了外骨骼在实际应用中的挑战和机遇。尽管外骨骼在降低职业伤害风险方面展现出潜力，但它们的设计和应用仍需进一步优化。例如，如何在不同任务和速度下保持最佳的支撑效果，如何确保外骨骼的舒适性和用户接受度，以及如何在不同工作环境中调整外骨骼的参数等，都是需要进一步研究的问题。此外，研究团队还提到，外骨骼的性能可能受到多种因素的影响，包括用户的体态、工作环境和任务类型等，因此在实际应用中需要进行个性化的调整和评估。

研究的最终目标是为职业应用中的外骨骼选择提供科学依据。通过分析不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出，研究人员希望能够帮助雇主和工人更好地理解外骨骼在不同工作条件下的表现，从而做出更明智的选择。这种选择不仅有助于提高工作效率，还能够有效降低职业伤害的风险，改善工作环境的安全性。

研究团队还特别感谢了所有参与实验的志愿者，他们的贡献对于研究的顺利进行至关重要。此外，研究得到了 Mitacs 基金会的支持，这表明该研究具有一定的实际应用价值和学术意义。研究的无利益冲突声明也进一步增强了其结果的可信度，表明研究团队在进行实验和数据分析时保持了客观和公正的态度。

总的来说，这项研究通过系统分析两种被动式低背支撑外骨骼在不同激活级别和角速度下的支撑力矩输出，为职业应用中的外骨骼选择提供了新的视角和科学依据。研究结果不仅揭示了外骨骼在动态任务中的表现差异，还强调了在实际应用中需要综合考虑多种因素的重要性。这些发现对于推动外骨骼技术的发展和提高职业安全水平具有重要的现实意义。