被动上肢外骨骼扭矩优化用于动态高空作业：基于肌肉活动与感知劳累的阶段性分析

为解决建筑工人上肢工作相关肌肉骨骼疾病高发问题，研究人员开展被动臂支撑外骨骼（ASE）扭矩水平优化研究，通过分析动态高空作业中不同支撑扭矩对肩部肌肉活动与主观感知的影响，发现75%扭矩水平可有效降低手臂上升期主动肌活动并减少下降期拮抗肌激活，为外骨骼在动态作业中的合理应用提供重要依据。

　　

在建筑行业，高空作业如同悬在工人们头顶的“达摩克利斯之剑”。工人们需要长期维持手臂的非中性姿势（如高举过头）并进行力量操作，这种工作模式使得他们面临极高的上肢工作相关肌肉骨骼疾病（WMSDs）风险。特别是使用具有一定重量的手持工具（如电钻）在肩部高度及以上作业时，肩关节负荷显著增加，极易引发肌腱炎等疾病。更令人担忧的是，这些疾病具有累积性进展特点，主要影响中年及老年建筑工人，可能导致他们被迫提前结束职业生涯。与此同时，高强度的体力要求也让年轻人对建筑行业望而却步，加剧了行业劳动力短缺问题。

为应对这一挑战，被动臂支撑外骨骼（ASE）近年来逐渐应用于工业领域。这些设备通过机械执行器（如弹簧和阻尼器）提供肩部扭矩，能够减少上肢的生物力学负荷，特别是在高空作业期间。多项研究表明，在手臂抬高过程中，ASE可以降低主要肩部主动肌的肌肉活动，使用者主观反馈也证实了工作负荷、感知劳累和肩颈部不适感的减少。

然而，ASE在动态作业中的最佳应用策略仍不明确。建筑作业通常包含多种子任务，工人在从事主要作业的同时，经常需要执行不要求手臂抬高的活动（如拾取工具、搬运材料或行走）。在这些情况下，工人可能不得不对抗外骨骼提供的支撑力以返回不需要辅助的中性姿势。因此，确定ASE应提供多少支撑成为关键问题。

虽然多数研究允许参与者选择他们偏好的扭矩水平，且大多数人选择高设置，但选择次优支撑水平可能会对ASE的实施和采用产生负面影响。支撑过少可能降低设备效果，支撑过多则可能改变肌肉激活模式，在运动阶段 engage（激活）通常较少/不活动的主动肌和拮抗肌，其长期后果尚未完全了解。此外，扭矩未根据参与者体型标准化使得不同研究结果难以比较，也不清楚变化ASE扭矩对执行动态高空任务时肌肉激活模式的实际影响。

为此，研究人员开展了一项深入研究，探讨在执行动态高空（DO）任务时，不同水平的人体测量学调整ASE扭矩对主要上肢肌肉活动的影响。肌肉募集分别分析手臂上升和下降阶段，以验证高ASE扭矩是否如预期那样在举臂期间引起主动肌活动显著减少，而在返回中性姿势时引起拮抗肌活动有意义增加。同时收集主观劳累和疲劳评分以补充客观测量，从而为动态任务选择理想支撑水平。

研究人员招募20名年轻成人志愿者（3名女性，17名男性），所有人在过去六个月内无自我报告的上肢或腰部急性或慢性肌肉骨骼疾病。参与者平均年龄34.1岁，身高177.6厘米，体重78.1千克。实验采用被试内设计，参与者在不使用外骨骼（无ASE）和三种不同ASE扭矩条件（50%、75%、100%扭矩）下完成DO任务。

DO任务包括20个模拟钻孔循环，使用轻型电钻（质量388克）。实验装置包括一个带有可调节顶板钢笼，顶板高度单独调整，使得参与者在达到高空目标时肩部和肘部弯曲90°。运动捕捉系统（MVN Awinda）用于测量全身 kinematics（运动学），表面肌电图（sEMG）测量六块肩部肌肉的双侧活动：前三角肌（AD）、中三角肌（MD）、上斜方肌（UT）、后三角肌（PD）、冈下肌（IF）和胸段竖脊肌（TES）。

肌电信号经过带通滤波（20-500 Hz）、整流和平滑处理，采用振幅概率分布函数（APDF）量化 normalized EMG（归一化肌电）包络的 median（中值，APDF 50）和 peak（峰值，APDF 90）活动。每个工作周期根据运动学数据分为上升、钻孔和下降阶段。此外，参与者使用BORG CR10量表和自定义五点量表对感知劳累（RPE）和疲劳水平进行评分。

关键技术方法包括：使用惯性测量单元（IMU）系统采集全身运动学数据（60 Hz）；表面肌电（sEMG）采集系统（1500 Hz采样率）记录六块肩部肌肉活动；最大自主等长收缩（MVC）测试用于肌电信号归一化；定制算法检测和减少运动伪影；振幅概率分布函数（APDF）分析肌电活动；重复测量方差分析（RM-ANOVA）统计检验扭矩水平对肌肉激活的影响。

3.1. 肌肉激活

研究发现，随着ASE扭矩增加，主要屈肌活动显著减少。在上升阶段，前三角肌（AD）峰值活动从无ASE的31.5% MVC降至100%扭矩时的17.8% MVC（减少43%）；上斜方肌（UT）峰值活动从21.0% MVC降至14.1% MVC（减少33%）。在下降阶段，AD中值活动从5.8% MVC降至2.6% MVC（减少55%）；UT中值活动从8.4% MVC降至6.3% MVC（减少25%）。值得注意的是，当比较75%和100%扭矩条件时，下降期AD、MD、PD和TES肌肉活动呈现增加趋势，其中TES中值肌肉活动增加显著（22%）。

3.2. 主观感知

增加ASE扭矩导致主导上臂/肩部的RPE显著降低，从无辅助时的平均5.1分降至100%扭矩时的3.1分。主导臂的疲劳水平也从无ASE时的平均3.1分降至100%扭矩时的2.2分。83.3%的参与者倾向于在真实工作场景中使用ASE，其中53.3%选择100%扭矩水平，40.0%选择75%扭矩水平。

研究结果表明，使用被动ASE执行DO任务时，存在上升期主动肌活动减少与下降期拮抗肌活动增加之间的平衡。肌肉活动和主观感知均表明，中等辅助（约75%的扭矩）可能是最优选择，既能在高空钻孔期间减少主动肌活动，又能最小化返回中性姿势时拮抗肌活动的增加，从而降低感知劳累和疲劳。这一信息可指导DO任务中最佳ASE扭矩水平的选择。

该研究的重要意义在于为被动上肢外骨骼在动态作业中的应用提供了科学依据，明确了扭矩水平对肌肉活动模式的阶段性影响，为预防建筑工人上肢工作相关肌肉骨骼疾病提供了实用解决方案，对促进外骨骼技术在建筑业的安全有效应用具有重要指导价值。