一種基于特高壓直流高空3D 防護柔性外骨骼的健康工效

劉東甲，何川，胡欣鈞，云磊

（1 中國南方電網超高壓輸電公司昆明局，云南 昆明 650217；2 昆明醫科大學第一附屬醫院，云南 昆明 650032；3 廣州海同工業技術有限公司，廣東 廣州 510407）

特高壓直流高空作業中，在保障絕對安全性前提下要重視職業健康，特別是多發的腰背肌肉拉傷、腰椎間盤突出、肌骨勞損及心理健康等問題［1－2］。目前作業人員穿戴高空作業安全帶是主要的預防手段。柔性外骨骼穿戴產品隨著設計、材料和工藝技術等發展，日益突顯良好工效、輕量便攜、穿戴智能等優勢［3－4］，在特高壓直流高空作業中受到青睞。外骨骼可有效減少職業勞作工人腰背負荷，發揮助力效果，減少肌肉組織急慢性損傷和相關肌骨疾病發病風險。但目前適用于高空作業場景的柔性外骨骼產品極少。作業人員通常先穿戴外骨骼產品后外穿安全帶，存在穿戴程序繁瑣、安全帶各束縛節點致外骨骼助力傳導系統失效、人體工效不佳等問題。本研究基于特高壓直流設備高空作業過程及腰背肌骨防護需求，探索合適的3D防護柔性外骨骼開展運動試驗初步驗證其生理健康防護工效。

1 對象與方法

1.1 研究對象招募10 名健康成年男性作為受試者，近6 個月無肌肉拉傷、腰背疼痛等病史，年齡25～55 歲，身高（168.2± 5.9）cm，體重（65.6 ± 7.3）kg。

1.2 穿戴設備3D 防護柔性外骨骼（圖1A）和常用的五點式安全帶（圖1C）重量分別為2.25 kg、2.28 kg。圖1B 顯示受訪者穿戴設備進行搬運試驗現場。柔性外骨骼設有上身固定帶、上身松緊調節帶、上身胸前互鎖掛鉤、背墊、背部掛鉤、腰間彈性帶、腰間安全帶、腰間側系掛鉤、臀部承力帶、下身互鎖掛鉤、大腿固定環套、膝蓋保護環套及其松緊調節帶。

圖1 穿戴設備示意圖

1.3 實驗流程與方法試驗前受試者清晰實驗流程及注意事項，1 周內無劇烈運動，簽署知情同意書。試驗當天于早餐或中餐約40 min 后開始，室溫23 ℃，相對濕度46%，無疲勞感。熱身5 min 后戴好Polar 心率腕表和肺通氣量測試面罩（精誠FT－1 肺通氣量儀），先后隨機穿戴使用安全帶或外骨骼設備重復完成5 組搬運，兩種穿戴設備試驗之間休息間隔至少1 h 至無疲勞感。搬運時，受試者站在離75 cm 高桌子前適當原點位置，將身前地面上10 kg 箱子向前搬到桌上，然后再搬回到地面原點，按30 BPM、BEAT 4／4 的節拍即8 s 完成一次來回搬運，搬運15 次為1 組，停止2 min 內立即記錄肺通氣量、心率Borg 表和系統可用性量表結果。按以上過程重復共3 組試驗。

1.4 觀察指標采用每分肺通氣量和心率反映每組搬運后心肺生理反應。采用Borg 肌肉疲勞感量表［4］評估運動前后的主觀疲勞感，從0～10 分漸進反映完全無肌肉疲累或呼吸困難到最疲累或最嚴重呼吸困難感覺。采用系統可用性量表SUS（Syestem Usability Scale）［6］，從0～100 分依次反映對外骨骼和安全帶的對比接受程度，通常認為＞60 分反映受試者對設備產品的認可。

1.5 統計學方法經過Shapiro－Wilk 檢驗各數據呈正態分布。采用雙因素（穿戴設備× 重復搬運組次）ANOVA 分析。穿戴設備有主效應且對各指標有顯著影響，用自身配對t 檢驗分析穿戴設備在各組時間點的差異，取α ＜0.05 為顯著性水平。而重復組次無主效應，兩因素無交互影響。

2 結果

2.1 心肺生理反應雙因素ANOVA 分析結果提示，穿戴設備種類和先后搬運組次對心率 ［F（3，27）＝3.97，P ＝0.018］、肺通氣量 ［F（3，27）＝3.34，P ＝0.034］、Borg 疲勞值 ［F（3，27）＝3.31，P ＝0.035］ 等結果均產生交互影響。隨著重復搬運組次增加，心肺機能反應和疲勞感有明顯增加的趨勢。分別在穿戴外骨骼和安全帶條件下，受試者開始搬運前（T0）心率（圖2A）和肺通氣量（圖2B）比較無明顯差異，見表1。各組搬運后心率和肺通氣量較T0時增加，但穿戴外骨骼低于安全帶。穿戴外骨骼受試者心率在T1、T3時明顯低于安全帶受試者，肺通氣量T1、T2、T3時顯著低于安全帶受試者（P ＜0.05）。

圖2 穿戴兩種設備搬運試驗前后各指標變化比較

表1 穿戴兩種設備搬運試驗前后各指標結果比較

2.2 疲勞感覺和SUS 評價受試者在搬運后疲勞感覺均在7 級以上，穿戴外骨骼受試者各個時間點疲勞感均低于安全帶受試者（圖2C）。T1、T2、T3時受試者對外骨骼的認可度評價明顯優于安全帶，見表1、圖2D。

3 討論

外骨骼逐漸應用于工業生產中，如汽車裝配、物流搬運等行業［7］。本研究基于特高壓直流設備作業需求和人體工效學基本原則探索設計一款3D 防護柔性外骨骼，開展室內搬運試驗模擬頻繁彎腰提拉作業，初步檢驗其可能的健康工效。本研究結果提示，與目前常用的安全帶相比，穿戴此外骨骼設備可能降低人體機能反應和疲勞感，節省能耗。搬運試驗采用每組搬運2 min、每兩組之間休息2 min、連續3 組的方式完成，使對比研究更穩定可靠。SUS 評估量表結果提示，新設計的外骨骼可能更受使用者認可，但整體評價60 分左右，仍需要從穿戴舒適度、系統控制策略、局部壓力感知緩解等方面優化設計。人機協同運動中，由于人機不可能完全運動匹配引起局部感知壓力的存在，而些許不適也會影響穿戴者的接受程度及推廣使用［8］。但本研究也存在一些不足，如對運動試驗后延遲性疲勞和機能反應監控、長期穿戴使用對慢性腰背勞損的防護效果、高空多種場景作業實際需求優化和應用設計及工效評價等。

總體上，本研究初步檢驗了基于特高壓直流高空作業的3D 防護柔性外骨骼對搬運工作中即刻的人體機能反應的影響及設備系統可用性感受，為之后的改進提供參考，最終發揮其緩解作業過程腰背壓力和疲勞、預防肌骨損傷、提供助力和提升高空工作效率等作用。