無動力上肢助力機械外骨骼對手臂抬舉作業的影響研究

尹鵬　楊靚　石磊　楊銘　朱冠新

摘要：手臂抬舉作業是導致上肢工作相關肌肉骨骼疾病（WMSDs）的主要原因，本文的目的是評估無動力上肢助力機械外骨骼（UPAE）在手臂抬舉作業中的潛在影響。方法：15名男性志愿者，在三個不同手臂抬舉高度（使用和不使用UPAE）下進行重復螺栓安裝任務；測量受試者左、右手臂三角肌前束、中束、斜方肌下束和肱三頭肌的肌電圖值，并對其頸部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰背部和腿部的感知不適（RPD）進行評分。結果：與不使用UPAE相比，使用UPAE時，右三角肌前束的初始nRMS下降了38.5%，中位nRMS值下降了45.1%，總RPD下降了52.4%。結論：與不使用UPAE相比，使用UPAE可以帶來更少的上肢肌肉收縮和更低的RPD，這可能會降低或減慢在手臂抬舉作業中上肢WMSDs的水平。

關鍵詞：外骨骼；手臂抬舉；肌肉骨骼疾病；肌電圖

中圖分類號：TP242.3 文獻標志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2023.08.003

文章編號：1006-0316 （2023） 08-0016-10

Effects of Passive Upper Limb Exoskeletons in Arm Lifting Tasks

YIN Peng YANG Liang SHI Lei YANG Ming ZHU Guanxin

（ 1. School of Mechanical and Automotive Engineering， South China University of Technology， Guangzhou 510640， China; 2.CVTE Central Research Institute， CVTE Electronic Technology

Co.， Ltd.， Guangzhou 510640， China ）

Abstract：Arm lifts is a major cause of work-related musculoskeletal disorders （WMSDs） of the upper extremity. The purpose of this article was to evaluate the potential effects of a passive upper limb exoskeleton （UPAE） on arm lift operations. Fifteen male volunteers performed repetitive bolt-installation tasks at 3 different arm lift heights （with and without UPAE）. The electromyography （EMG） values of the anterior deltoid， medial， lower trapezius and triceps muscles of the subjects' left and right arms were measured. Perceived Discomfort （RPD） of necks， shoulders， upper arms， forearms， chest back， lower back and legs were scored. With UPAE， the initial nRMS of the right anterior deltoid decreased by 38.5%， the median nRMS value decreased by 45.1%， and the total RPD decreased by 52.4% compared to the situations without UPAE. The use of UPAE resulted in fewer upper extremity muscle contractions and lower RPD than without UPAE， which may have reduced or slowed the level of upper extremity WMSDs during arm lifts.

Key words：exoskeleton；arm lift；musculoskeletal disorder；electromyography

上肢與工作相關的肌肉骨骼疾病（Work- related Musculoskeletal Disorders，WMSDs）是現代工業環境日益關注的問題，通常由重復或長期的體力工作引起[1-4]。2016年，美國有報告顯示14.9%的WMSDs病例與肩部工作有關[5]，僅次于背部（38.5%的病例）。肩部WMSDs通常相對更嚴重，因為它可能需要較長的恢復期[6]。在美國，肩部受傷導致的工作日損失中位數為23天，背部和其他部位受傷類型導致的工作日損失中位數分別為7和9天[7-8]。手臂抬舉工作會對肩部區域產生復雜的生理影響（如增加肌肉壓力、肌肉疲勞）和生物力學需求（如更高的組織負荷）[2]，但在許多工業制造工作中仍然需要大量的手臂抬舉工作，如車輛底部和飛機機身內部的安裝/維修工作等。而且，由于成本和工作特點，這些工作不易被取代。

如今，機器人已經越來越多地被用于執行負重抬舉工作。然而，機器人不像人類工人那樣能夠敏捷、全面和機智地解決問題。因此，工業環境中的大部分手臂抬舉作業無法由機器人完成[9]。近年來，外骨骼技術在軍事[10]和康復應用[11-12]領域取得成功后，越來越受到制造業的關注。外骨骼是一種可穿戴結構或系統，旨在通過為身體關節提供輔助扭矩或結構支撐來增強穿戴者的力量或敏捷性，從而減少誘導因素對人體肌肉和關節的影響[13]。根據工作原理，可分為有源外骨骼和無動力外骨骼[14]。無動力外骨骼無需任何外部電源，而是使用材料彈簧或阻尼器來存儲人體運動時的能量，并在需要時釋放[15-16]。有源外骨骼則需要一個或多個執行器，通過驅動人體關節為人體提供動力。執行器可以是電機、液壓、氣動等[17]。外骨骼技術越來越成熟，許多已商業化并應用于市場，或至少處于研發階段[18-20]。然而，這些外骨骼的可靠性和安全性，特別是工業應用中的無動力機械外骨骼，尚未得到探索和評估[15-16]。

現有的關于外骨骼應用效果的研究報告中，很少有關于制造過程中手臂提升或抬舉工作的調查[6]。Rashedi等[21]對重復性手臂抬舉作業進行了模擬，其中使用商業外骨骼背心和機械臂可減少肩部肌肉的疲勞和不適高達50%。Looze等[22]討論了外骨骼對緩解身體風險因素的影響，特別是涉及手工材料處理任務，例如提升和搬運。Butler[23]和Spada等[9]測試了一種名為AIR-FRAME的商用無動力上肢助力機械外骨骼，其中汽車裝配線上的工人完成了涉及手臂抬起和運動姿勢的任務，結果顯示，工人的生產力提高了86%、肩部不適減少，并強調了安全專業人員需要在將外骨骼引入工作場所之前了解其潛在的好處和安全挑戰。Kim等[6]進行了模擬，以評估外骨骼在重復的手臂抬舉鉆孔和輕型裝配任務中的使用，結果發現，使用外骨骼可以降低標準化的肩部肌肉疲勞水平，例如，峰值疲勞降低45%，鉆孔任務完成時間縮短近20%。上述文獻表明，使用外骨骼可以減輕使用者在手臂抬舉作業中的身體負擔，在某些情況下還能提高工作效率。

本文介紹了一種重量輕（1.9 kg）、自由度高（上肢活動不受阻礙）、價格實惠（約2000$）的無動力助力上肢機械外骨骼（Passive Upper Limb Assist Exoskeletons，UPAE）[24]。旨在評估UPAE如何助力工業工人完成重復的上臂抬舉任務。還調查了設備在不同上臂抬舉高度執行任務時的不適，特別是確定頸部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部如何受設備影響。并分析了肌電圖（Electromyography，EMG）、主觀評分和來自選定肌肉群的參與者反饋，以評估UPAE的效果。

1 方法

1.1 受試者

本研究中，15名健康的男性（年齡28.6±4.2 y，體重68.5±12.3 kg，身高1.73±0.15 m）自愿參加實驗，右手為優勢手。在過去的12個月中，無任何肌肉骨骼疾病或障礙。參與者在被告知實驗流程后，閱讀并簽署了經華南理工大學研究倫理委員會（華南理工大學，中國廣州，編號：190821-013-07）批準的道德同意書。

1.2 無動力上肢助力機械外骨骼

如圖1所示，UPAE由臂托、儲能單元、背部支撐、背帶和腰帶組成。總重量為1.9 kg，比其他同類系統[25-27]更輕。擬人化的設計使UPAE可以做出與用戶相同的動作，從而提供更大的運動自由度。鉸接臂支架和靠背支架主要由碳纖維和航空鋁制成。UPAE上使用了被動懸架系統，每個能量層單元是一個由拉簧驅動的執行器。當佩戴者在靜態或準靜態位置抬起手臂時，UPAE會在肩部周圍產生不同的支撐力來支撐佩戴者的手臂。具體而言，UPAE有一個與上臂套筒耦合的扭矩產生裝置。當用戶抬起手臂時扭矩逐漸增加，而當放下手臂時扭矩減小。該評估是使用不同高度的模擬間歇性上臂抬舉任務完成的。使用主觀評分、選定肌肉群的EMG和參與者反饋來評估身體需求。

1.3 重復手臂抬舉安裝螺栓的模擬任務

重復安裝標準螺栓是在汽車制造業等工業環境中常見的手臂抬舉作業。實驗模擬職業手臂抬舉作業，用沖擊扳手將六角螺栓（M6）安裝在不同手臂抬舉高度（低、中、高）的朝下孔中，如圖2所示。孔位位于可調節高度的橫梁上。

這項任務不是為了模擬任何特定的職業，而是為了捕捉手臂抬舉作業的需要。不同作業水平的數據通過人體測量學測量優勢手和手臂獲得：肩部和肘部屈曲至90°、上臂旋轉中立時的手高（A），以及上臂完全屈曲（最大過頭伸展）且肩部平行于地面（即肩部不抬高）時的手高（B）。然后將低水平高度設置為A，將中水平高度設置為[A＋0.40（B－A）]，將高水平高度設置為[A＋0.80（B－A）][28]。模擬中使用的沖擊扳手（質量2.33 kg）是在汽車和飛機裝配過程中完成手臂抬舉作業任務的標準工具[6]。在實際擰緊螺栓的情況下，要求參與者根據Alabdulkarim等[29]提出的現有測試方法將與六角螺栓接合的扳手保持在相對固定的位置。任務中使用了不同的工作高度，并為所有參與者設置了固定的休息和工作時間。

1.4 測試流程

參與者完成了兩個至少相隔7天的實驗測試課程[21]。

第一次課程首先向參與者介紹了UPAE的使用和注意事項，以熟悉外骨骼，因為此任務對他們來說是新的。然后要求參與者在使用和不使用UPAE的情況下在不同的手臂抬舉高度練習螺栓安裝任務。在每項任務中，參與者都被鼓勵找到他們最喜歡的工作姿勢。參與者還被要求在使用Borg CR10量表[30]的同時完成靠墻坐姿[31]，并在任務期間評估大腿的感知不適（Perceived Discomfort，RPD）。該課程用于確保參與者理解并使用評分量表進行練習[28]。

第二節課程用于評估使用UPAE在不同手臂抬舉高度的任務中對肩部身體需求和工作表現的影響。每個參與者在包括干預（使用UPAE及不使用UPAE）和工作高度（低、中、高）在內的六種條件下以隨機順序執行模擬手臂抬舉工作任務。在給定的條件下，干預和工作高度的順序在所有參與者之間交替進行。對于每個給定的條件，模擬手臂抬舉工作任務重復20個周期（10 min），工作占比50%，每個周期時間為30 s（由節拍器控制，每個周期工作15 s、休息15 s）。具體來說，0～3 s，要求每個參與者右手握住沖擊扳手，左手握住螺栓，使扳手與螺栓嚙合、螺栓與孔嚙合，該位置保持12 s。15～18 s，要求參與者從工作位置恢復到直立位置，并將扳手放在與腰部高度一致的桌子上，然后手自然下垂，保持12 s。上述工作和休息交替進行，直到測試結束。參與者在所有實驗條件下（使用和不使用UPAE，低、中和高工作高度）均被允許選擇一個舒適的腳位（相對于孔位）。每兩次實驗之間至少提供15 min的休息時間，以盡量減少殘余疲勞的潛在影響。

在每個實驗期間測量雙側EMG信號。EMG測試的肌肉是三角肌前束（Anterior Deltoid，AD）、三角肌中束（Mid Deltoid，MD）、斜方肌下束（Trapezius，TR）和肱三頭肌（Triceps Brachii，TB）[6，21]。在每種條件下進行測試之前，記錄一組EMG值。

原始EMG值以1200 Hz的采樣頻率采集每1 min中15 s（工作時間）的數據。然后對信號進行帶通濾波處理（20～500 Hz，四階巴特沃斯，雙向）。實驗的測試過程參照Nussbaum[32]制定的程序作為EMG測試的標準。每次實驗后，參與者在保持工作任務姿勢的同時，在兩側進行最大隨意等長收縮（Maximum Voluntary Contraction，MVC），并盡可能用力抬起手臂。每塊肌肉至少進行3次MVC試驗，每兩次試驗之間至少休息1 min。所有試驗的最大值被記錄為MVC并對所有肌肉進行標準化。

RPD量表用于每次實驗時頸部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部的感知評估。對于身體的左側和右側，用RPD量表進行評級并記錄平均評分。在每種條件下，記錄測試前的RPD評級，然后在整個測試期間每2 min評估一次。測試后對總RPD值進行評級和記錄。

完成所有實驗后，要求每個參與者提供意見或評論，例如關于UPAE的可用性、不適部位、對力量的感知、優點和缺點。

1.5 儀器儀表和數據處理

在本實驗中，ME60-8（Bittium Inc，Kuopio，

Finland）肌電圖系統用于捕獲肌電數據。采樣頻率設置為1200 Hz，帶通濾波20～500 Hz。共模抑制比（Common Mode Rejection Ratio，CMRR）110 dB，輸入阻抗10 GΩ，增益1000，噪聲級＜1 μV，靈敏度0.2 μV，信號A/D轉換為12 bit。用酒精濕巾清潔皮膚區域以減少干擾和噪音[33]，并將Ag-AgCl表面電極（MediTrace，MA，USA）成對連接到肌肉腹部，中心距為2.5 cm。在每個實驗中，使用截止頻率為3 Hz的四階巴特沃斯濾波器（雙向）對所有原始EMG信號進行整流和低通濾波，以生成線性包絡。每次試驗前3 s收集的EMG數據后期不進行處理，以減少過渡期誤差。然后在每一次試驗中，計算EMG均方根（Root Mean Square，RMS）值，并確定肩部肌肉活動（即所有肩部肌肉RMS值的總和）的中位數（50%）[34]。對在MVC期間獲得的EMG執行了類似的過程。然后將實驗期間獲得的初始RMS值和中值RMS值歸一化為相應的參考RMS值。

1.6 數據處理

本研究中的自變量是干預（使用UPAE vs不使用UPAE）和工作高度（低 vs 中 vs 高），因變量是身體七個部位（頸部、肩部、上臂、前臂、胸背部、腰部和腿部）和左右四塊肌肉（AD、MD、TR和TB）的肌肉活動。在比較結果之前，使用截止頻率為2 Hz的二階高通巴特沃斯濾波器來消除直流偏移（Direct Current Offset）和運動偽影。經檢驗，EMG數據和RPD（Relative Percentage Difference，相對百分比差異）值均呈正態分布。因此，對其進行重復測量方差分析（Analysis of Variance，ANOVA）測試得到F值以評估UPAE使用與否對RMS幅度和RPD值的影響。該統計檢驗的所有顯著（a＜0.05，其中a代表顯著值）主效應均使用Bonferroni校正方法進行配對t檢驗，通過該檢驗得到更準確的a，以降低I類錯誤率（要求? ?a＜0.016）[35-36]。使用eta squared（η2）報告效應大小[6，37]。對15名參與者的標準化后的肌肉信號數據分別進行平均，作為干預的比較數據。對最終RPD值進行重復測量的方差分析，以評估干預和工作高度對手臂抬舉作業任務10 min后產生的不適程度的影響。所有數據使用SPSS 22.0（SPSS Corporation，Chicago IL，USA）進行處理分析。

2 結果

2.1 肌電圖

本研究中重復性手臂抬舉作業任務的EMG統計結果如表1、表2、圖3、圖4所示。其中，RAD、LAD為右、左三角肌前束；RMD、LMD為右、左三角肌中束；RTR、LTR為右、左斜方肌下束；RTB、LTB為右、左肱三頭肌；*為p＜0.05的顯著性水平；**為p＜0.01的顯著性水平；誤差線表示標準偏差。

由表1和表2可以看出，干預和工作高度對監測的大多數肩部肌肉群的初始和中值nRMS具有顯著的主效應。此外，干預×工作高度的交互顯著影響初始和中值nRMS；時間也顯著影響肩部肌肉群的中值nRMS。然而，干預×時間的交互僅對RAD和RMD有顯著影響，工作高度×時間的交互僅對RMD和LAD有顯著影響。

由圖3和圖4可以看出，UPAE在高水平高度條件下對初始和中值nRMS減少最大，在中水平高度下減少最小。高水平高度下，RAD初始nRMS值下降38.5%，RMD下降33.1%，RTB下降30.7%，LAD下降32.2%。所有這些肌肉的減少都是顯著的。RAD的中值nRMS顯著下降45.1%，RMD下降33.1%，RTB下降32.2%，LAD下降33.5%，LMD下降31.7%。

2.2 感知不適評分

RPD的平均（標準偏差）結果和方差分析結果如表3所示。干預對肩部、上臂和前臂的RPD有顯著影響。工作高度對頸部、肩部和上臂的RPD有顯著影響。然而，干預×工作高度的交互僅對上臂的RPD有顯著影響。參與者報告的所有RPD平均分數在三個高度均低于5。佩戴UPAE總體上降低了整體不適感。與低水平和中水平高度相比，當參與者在高水平工作高度進行工作時，這種減少最為顯著（51.3%）具有統計學意義，如圖5所示。在中水平高度整體不適感低，在低水平高度有中等程度的不適感。

2.3 參與者反饋

作為研究后對未來設計的反饋，約20%的參與者報告手臂不適，用力過大或失去運動范圍；只有一名參與者報告使用UPAE時胸背部和腰背部不適。詢問所有參與者在執行不同級別手臂抬舉作業任務時是否愿意使用UPAE，11人表示愿意、4人表示不愿意。所有參與者都報告說，他們可以感覺到UPAE在手臂抬舉作業期間支撐了上肢，并在要求重復螺栓安裝時幫助他們保持沖擊扳手與六角螺栓接合。

3 討論

3.1 外骨骼對人體肌肉的影響

手臂抬舉作業被認為是上肢WMSDs的一個重要風險因素[21]。本文的目的是研究無動力上肢助力機械外骨骼對手臂抬舉作業任務的潛在影響。通過評估初始和中值nRMS的變化來量化參與者的肌肉活動狀態和感覺，并使用基于Borg量表的RPD對參與者的關鍵身體部位進行評分[6]。實驗結果表明，UPAE的使用對參與者在模擬任務中進行手臂抬舉作業是有幫助的，其降低了除LTR之外的所有肩部肌肉的初始和中值nRMS，尤其在較高水平高度更為有效。穿戴UPAE對RAD、RMD、RTB和LAD初始nRMS值影響顯著，表明最初穿戴UPAE后，上述肌肉的負荷顯著減少。隨著實驗時間的推移，nRMS值的變化被解釋為局部肌肉疲勞的跡象[38]。穿戴UPAE時，RAD、RMD、RTB、LAD和LMD中值nRMS顯著降低，表明這些肌肉的疲勞程度有所降低。盡管尚未明確定義與肌肉疲勞相關的因素會導致特定上肢WMSDs[21]，但肌肉疲勞被認為是導致疼痛[39]、關節疾病[40]和軟組織損傷[41]的重要因素。因此可以認為，使用UPAE有可能降低重復性手臂抬舉作業中上肢WMSDs的風險。然而，需要進一步的后續實地研究來確認這種干預方法在降低上肢WMSDs風險和在使用手臂抬舉進行作業的工人身上的潛在長期益處。

3.2 舒適度與有效性的評價

與EMG數據相比，主觀測量RPD對最終報告值和時間變化都具有出色的可靠性[28]。在這項研究中，參與者報告說，穿戴UPAE后，肩部、上臂和前臂的RPD顯著降低，這與之前的研究一致[21，23，42]。結果表明，UPAE對減輕肩部、上臂和前臂在抬舉作業中的不適有一定的作用。RPD測量的結果表明，在最高水平工作高度下不適感最大，這可能是由于疲勞率的非線性增加導致肌肉活動具有高線性度。換句話說，參與者可能會顯著報告較高工作水平的不利影響，即感知到的不適[32，43]。穿戴UPAE后，在高水平工作高度下的總RPD評分下降幅度最大，原因可能是參與者最有可能在最疲勞的條件下感受到更多來自UPAE的支持力。

大多數參與者對使用UPAE的體驗持肯定態度，并愿意在手臂抬舉作業期間，尤其是在高水平工作高度時，繼續使用UPAE。該結果與RPD測試的結論一致。然而，一些參與者報告了將UPAE佩戴在肩膀和手臂上的不適，并建議改進UPAE的人體測量學。其中三名參與者進一步反映，UPAE提供的支撐力太大，需要花些力氣才能放下胳膊。發生這種情況是因為將支持力設置為固定的中等力度水平，以便使實驗中的變量類型盡可能少。低強度力度級別可能更適合這三個參與者。一些人報告說，穿著UPAE后上身運動受到限制，可能的原因是UPAE的主要結構是由剛性而不是柔性材料制成的；另一個可能的原因是，腰帶、胸帶或背帶等部位在使用過程中被綁得太緊。

總體來說，使用UPAE將大大降低上肢肌肉的身體需求（例如RAD、RMD、RTB、LAD、LMD），但對其他肌肉的身體需求影響相對較小（例如RTR、LTR、LTB）。UPAE的使用減輕了肩部、上臂和前臂的不適感，但身體其他部位的不適感減少較少或沒有改變。對這種差異的一種可能性解釋是，UPAE的使用不足以對這些區域產生重大影響或幫助。

3.3 需要考慮的因素

本研究中有幾個問題需要進一步考慮。首先，本研究參與者相對年輕且健康，沒有覆蓋所有工作人口。盡管使用UPAE的效果顯著，但未來的研究中有更多的參與者將更有益。其次，這項研究僅限于短期手臂抬舉作業。未來的研究可能集中在長期使用UPAE的影響及其對上肢的潛在影響。一些研究人員認為，長期使用軀干矯形器可能會導致軀干肌肉無力[44]，使用UPAE可能會產生類似的效果。第三，本研究僅限于受控的實驗室環境，測試過程標準化，與實際的工業環境不同。一些研究人員提出，不同的工作環境可能會影響外骨骼的測試結果[45]。第四，模擬手臂抬舉作業對參與者來說是新的體驗。雖然參與者在測試前進行了幾次練習，但短期培訓不足以完成螺栓安裝任務或使用UPAE。有經驗的工人使用UPAE的效果可能不同。第五，這里使用的基于EMG的測量可能對所涉及的中低水平間歇性收縮的疲勞指標不夠敏感[28，38]。缺乏敏感性可以解釋EMG測量中干預×時間的相互作用普遍無顯著性，這與更實質性和一致的干預對感知不適的影響結果相反[21]。在本文中，測量和分析了上肢和肩部肌肉的EMG活動，然而，在不同手臂抬舉高度進行實驗任務，實際上需要上肢肌肉和下肢肌肉活動的協調配合，因此，缺乏對下肢肌肉的EMG測試也是一個研究限制。

總之，這項研究表明，使用UPAE可以有效地幫助工人進行短期手臂抬舉作業。在高水平工作高度上，輔助效果尤其明顯。特定工作場所涉及手臂抬舉作業的職業任務無法被完全替代[46]，這是上肢WMSDs的重要誘發因素，因此，對UPAE等輔助器具的研究具有重要意義。未來有必要對UPAE進行更深層次的研究和設計改善，評估在實際工作環境（例如汽車、飛機裝配線）中使用UPAE對不同人群的長期影響。

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