基于表面肌電與步態(tài)的外骨骼穿戴疲勞評(píng)測

何愷倫，呂健，李林，徐兆，潘偉杰

(1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550025；2.貴州航天控制技術(shù)有限公司，貴州 貴陽 550009)

現(xiàn)階段的無源下肢外骨骼主要用于輔助訓(xùn)練和輔助行走.人體下肢運(yùn)動(dòng)是一種由骨骼肌、骨骼以及關(guān)節(jié)共同協(xié)作完成的高自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，在下肢運(yùn)動(dòng)過程中，主觀疲勞感受與客觀疲勞感受會(huì)有相互作用[1].大多數(shù)外骨骼使用過程的疲勞評(píng)測僅僅通過單一維度評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分析，因此會(huì)導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果較為片面并且準(zhǔn)確率較低.本研究采用主客觀多維度數(shù)據(jù)對(duì)外骨骼進(jìn)行評(píng)測，可以提高評(píng)測精度以及外骨骼設(shè)備的人機(jī)優(yōu)化效率，從而降低使用風(fēng)險(xiǎn)帶來職業(yè)損傷的幾率.

針對(duì)穿戴式無源下肢外骨骼的疲勞狀態(tài)評(píng)測問題，當(dāng)前學(xué)者主要聚焦于表面肌電信號(hào)（surface electromyography，sEMG）、壓力檢測與血氧飽和度的外骨骼穿戴疲勞研究.在sEMG 評(píng)測方面，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)設(shè)計(jì)了下肢外骨骼機(jī)器人XPED1，該外骨骼由人工肌腱和可調(diào)節(jié)框架結(jié)構(gòu)組成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該外骨骼能夠有效降低穿戴者腓腸肌的sEMG 強(qiáng)度[2].渥太華大學(xué)設(shè)計(jì)出一款用于重力支撐的無源下肢外骨骼機(jī)器人，通過局部壓力檢測，在站立姿態(tài)下外骨骼可分擔(dān)穿戴者身體重量的9.41%～26.18%；在行走狀態(tài)下外骨骼可對(duì)穿戴者提供14.02%～27.52%的身體重量支撐力[3].河北工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的是一款用于承重的下肢外骨骼機(jī)器人NNLELE，該外骨骼主要由2 條帶有儲(chǔ)能裝置的后支撐鏈和前支撐鏈組成，通過血氧飽和度檢測，受試者的代謝能耗與未穿戴狀態(tài)相比降低了10%以上[4].在主觀疲勞評(píng)價(jià)領(lǐng)域中，F(xiàn)oster 等[5]提出主觀疲勞自覺量表（scale for rating of perceived exertion，sRPE）方法，通過專項(xiàng)和交叉訓(xùn)練驗(yàn)證了該方法的可靠性.在運(yùn)用sEMG 評(píng)價(jià)疲勞方面，Morse 等[6]提出將sEMG 特征用于肌肉負(fù)荷的判斷，該方法為肌肉疲勞閾值（electromyogram fatigue threshold，EMGFT）.劉曉光等[7]通過對(duì)10 名受試者進(jìn)行負(fù)載遞增騎行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證EMGFT對(duì)于肌肉疲勞狀態(tài)評(píng)測的有效性.由于步態(tài)過程中的運(yùn)動(dòng)狀況復(fù)雜，導(dǎo)致生物信號(hào)信噪比的降低，單靠sEMG 信號(hào)作為外骨骼評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)的有效性將會(huì)降低，因此需要額外數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以提高評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性.

針對(duì)上述問題，結(jié)合動(dòng)作捕捉技術(shù)、EMGFT以及sRPE[8]量表評(píng)分，對(duì)人在穿戴下肢無源外骨骼過程中的疲勞程度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià).通過設(shè)計(jì)步態(tài)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同步采集實(shí)驗(yàn)過程中受試者下肢位置信息、sEMG 信號(hào)以及進(jìn)行sRPE 評(píng)分[9]，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上分別進(jìn)行下肢穩(wěn)定性分析、EMGFT計(jì)算以及主觀評(píng)分計(jì)算，并對(duì)比結(jié)果，以此實(shí)現(xiàn)基于表面肌電與步態(tài)的外骨骼穿戴疲勞評(píng)測.為了探究外骨骼使用熟練度以及穿戴者的強(qiáng)壯程度對(duì)下肢外骨骼使用效果的影響，在實(shí)驗(yàn)中增加熟練對(duì)照組以及強(qiáng)壯對(duì)照組，進(jìn)行對(duì)比分析.

1 實(shí)驗(yàn)方法

為了從主、客觀角度綜合評(píng)價(jià)和分析下肢外骨骼使用過程中的疲勞狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)外骨骼使用過程中的有效疲勞監(jiān)測，通過采集18 名受試者實(shí)驗(yàn)過程中的受試者下肢位置信息、sEMG 信號(hào)以及進(jìn)行sRPE 評(píng)分，設(shè)計(jì)了步態(tài)分析的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)方法如圖1 所示.

圖1 步態(tài)分析的對(duì)比實(shí)驗(yàn)流程Fig.1 Comparative experimental process for gait analysis

1.1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與目標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)前，通過動(dòng)作捕捉進(jìn)行步態(tài)分析，找出相關(guān)發(fā)力肌肉并選定sEMG 采集位置.在實(shí)驗(yàn)中，同步采集受試者的sEMG 數(shù)據(jù)以及動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù).實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)為：1）驗(yàn)證EMGFT算法對(duì)于無源下肢外骨骼疲勞分析的準(zhǔn)確性；2）觀察受試者體能強(qiáng)度與外骨骼使用熟練度對(duì)外骨骼使用效果的影響.

1.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)采用美國Delsys 公司的Trigno 全無線生理傳感器，該傳感器可以同步采集sEMG 信號(hào)與慣性檢測單元（inertial measurement unit，IMU）信號(hào)，其中sEMG 采樣頻率為2 000 Hz，IMU 信號(hào)采樣頻率為75 Hz，角度采集精度精確到小數(shù)點(diǎn)后5 位.所使用的外骨骼為中國航天科工集團(tuán)第十研究院自主開發(fā)的無源助力外骨骼.實(shí)驗(yàn)使用的跑步機(jī)為KPOWER K160A，每檔速度為1 km/h.

1.1.2 sRPE 主觀量表選擇 CR-10 scale 是以10 級(jí)刻度進(jìn)行劃分的sRPE 量表，該量表源于瑞典心理學(xué)家 Gunnar Borg 發(fā)明的主觀疲勞評(píng)估方法.區(qū)別于Borg 6-20 scale 這類粗略對(duì)應(yīng)心率（60～200 bt/min）的劃分方式，CR-10 scale 的效果更加可靠與有效.CR-10 scale 經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了其結(jié)果的穩(wěn)定性以及廣泛適用性[10].該方法已被證實(shí)可對(duì)多個(gè)年齡段和水平層次的運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行主觀疲勞量化，實(shí)驗(yàn)受試者完全滿足該量表的評(píng)價(jià)限制.

根據(jù)訓(xùn)練計(jì)劃研究訓(xùn)練沖量理念（training impluse, TRIMR），受試者的內(nèi)部負(fù)荷可由 “內(nèi)部負(fù)荷=自感疲勞程度評(píng)分×運(yùn)動(dòng)時(shí)長” 來計(jì)算[11].自感疲勞程度評(píng)分是運(yùn)動(dòng)中人體內(nèi)部對(duì)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷刺激的認(rèn)知，以及多種綜合心理因素決定的.受試者進(jìn)行系統(tǒng)訓(xùn)練可以降低評(píng)分誤判提高和數(shù)據(jù)精度，此次實(shí)驗(yàn)前通過受試者在跑步機(jī)上進(jìn)行訓(xùn)練，提前體驗(yàn)不同評(píng)分量級(jí)的主觀感受.

1.2 受試人員及環(huán)境

選取18 名健康且無不良嗜好的男性受試者參與實(shí)驗(yàn)，年齡（25±2）歲，身高（168.0±3.0）cm，體重（62.0±5.0）kg，受試者均身體健康，且無肌肉損傷或其他相關(guān)疾病，在近一周內(nèi)未參加劇烈運(yùn)動(dòng).在正式實(shí)驗(yàn)前，告知受試者實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，指導(dǎo)受試者學(xué)習(xí)sRPE 主觀量表并評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度.所有受試者均為自愿參與此次實(shí)驗(yàn)且實(shí)驗(yàn)開始前均已熟悉實(shí)驗(yàn)方案、流程和注意事項(xiàng).

為了對(duì)比穿戴與未穿戴2 種狀態(tài)下疲勞狀態(tài)的差異，18 名受試者均須先后進(jìn)行A、B 這2 組步態(tài)分析實(shí)驗(yàn).A 組實(shí)驗(yàn)為配戴外骨骼實(shí)驗(yàn)，B 組實(shí)驗(yàn)為未佩戴外骨骼實(shí)驗(yàn)，A、B 組實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間為48 h.為了提高實(shí)驗(yàn)可靠性，A、B 這2 組實(shí)驗(yàn)各重復(fù)3 次，每次間隔時(shí)間為72 h.探究外骨骼使用熟練度以及穿戴者的強(qiáng)壯程度對(duì)下肢外骨骼使用效果的影響，按照受試者每周體能訓(xùn)練時(shí)長、外骨骼使用總時(shí)長對(duì)受試者狀態(tài)進(jìn)行劃分，將18 名受試者分為普通組、熟練組、強(qiáng)壯組3 組，每組6 人.實(shí)驗(yàn)規(guī)定每周體能訓(xùn)練時(shí)間少于3 h 且外骨骼使用時(shí)長為0 h，受試者為普通組；每周體能訓(xùn)練時(shí)間少于3 h，外骨骼使用時(shí)長多于20 h 為熟練組；每周鍛煉時(shí)長大于7 h，但外骨骼使用時(shí)間為0 h為強(qiáng)壯組.實(shí)驗(yàn)所用負(fù)重物為20 kg 標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量沙袋，并將沙袋置于背包中，同時(shí)所有受試者均進(jìn)行大于4 h 的主觀疲勞評(píng)分量化訓(xùn)練，受試者分組情況如表1 所示.倫理聲明：本研究已經(jīng)通過貴州大學(xué)人體醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)倫理分委員會(huì)審批（批文編號(hào)：HMEE-GZU-2021-T005）.

表1 外骨骼負(fù)載實(shí)驗(yàn)分組情況Tab.1 Grouping of exoskeleton load experiments

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在行走過程的下肢肌肉發(fā)力情況下，實(shí)驗(yàn)前通過動(dòng)作捕捉對(duì)步態(tài)進(jìn)行周期劃分[12].以人體右側(cè)單側(cè)腿為例進(jìn)行步態(tài)分析，當(dāng)進(jìn)行一次完整的步態(tài)周期時(shí)，存在支撐相與擺動(dòng)相2 個(gè)明顯特征，支撐相以目標(biāo)腿為主要支撐腿，擺動(dòng)相目標(biāo)腿為非主要受力.步態(tài)過程中支撐相占整個(gè)步態(tài)周期的60%，擺動(dòng)相占40%.在一個(gè)完整周期里，將步態(tài)分為8 個(gè)主要特征進(jìn)行數(shù)據(jù)采集：首次觸地期、承重反應(yīng)期、支撐相中期、支撐相末期、擺動(dòng)相前期、擺動(dòng)相初期、擺動(dòng)相中期、擺動(dòng)相末期，如圖2 所示.

圖2 人體步態(tài)周期劃分示意圖Fig.2 Diagram of human gait cycle division

根據(jù)步態(tài)分析結(jié)果可將下肢在行走過程中肌肉發(fā)力分為觸地期：（大腿肌群+臀部肌肉）、承重反應(yīng)期到支撐相中期：（小腿肌群+部分大腿肌群）、支撐相末期到擺動(dòng)相末期：（大腿肌群+臀部肌肉）.選取大腿肌群中的股內(nèi)肌、小腿肌群中的腓腸肌進(jìn)行sEMG 數(shù)據(jù)采集，2 個(gè)部位能較好避免衣物摩擦與外骨骼遮擋.根據(jù)下肢步態(tài)受力分析，實(shí)驗(yàn)采用14 個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，其中1～9、14 號(hào)傳感器啟用IMU 通道，進(jìn)行動(dòng)作捕捉和位置信息采集，10～13 號(hào)傳感器采集sEMG 原始信號(hào).10～13 號(hào)傳感器對(duì)應(yīng)部位分別為：10 號(hào)左側(cè)股內(nèi)肌、11 號(hào)左側(cè)腓腸肌、12 號(hào)右側(cè)股內(nèi)肌、13 號(hào)右側(cè)腓腸肌.sEMG 與IMU 傳感器佩戴位置如圖3 所示，設(shè)置場景圖如圖4 所示.

圖3 sEMG 與IMU 傳感器分布圖Fig.3 sEMG and IMU sensor distribution

圖4 sEMG 與IMU 傳感器設(shè)置場景圖Fig.4 Scenario of sEMG and IMU sensor settings

1）A 組受試者

該組受試者狀態(tài)為配戴外骨骼且背負(fù)裝有20 kg標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量沙袋的背包，背包置于背板托架上.為了避免因佩戴外骨骼帶來的IMU 傳感器滑動(dòng)，將大腿外側(cè)03、04 號(hào)傳感器與小腿前側(cè)02、05 號(hào)傳感器利用電工膠帶進(jìn)行加固，其余IMU 與sEMG傳感器使用雙面貼紙固定.如圖5（a）所示.

圖5 受試者實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及環(huán)境Fig.5 Subject experimental status and environment

2）B 組受試者

該組受試者狀態(tài)為未佩戴外骨骼且背負(fù)裝有20 kg 標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量沙袋的背包.傳感器按照指定位置使用雙面貼紙固定，如圖5（b）所示.在實(shí)驗(yàn)開始前，為了確保受試者處于非疲勞狀態(tài)，設(shè)置A、B 組，實(shí)驗(yàn)間隔時(shí)間為48 h，休息期間受試者不得進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng).在實(shí)驗(yàn)前，為了減少信號(hào)漂移所帶來的誤差，提高sEMG 數(shù)據(jù)精度，刮除受試者股直肌與腓腸肌表面體毛，并使用75%酒精清潔表面皮膚.為了避免受試者因首次操作與負(fù)重不適應(yīng)所發(fā)生的意外，要求所有測試對(duì)象在開始前1 min 內(nèi)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行試穿與試重.在準(zhǔn)備工作結(jié)束后，按照?qǐng)D4 配置傳感器.18 名受試者分別進(jìn)行步態(tài)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，每位受試者進(jìn)行6 min 步態(tài)訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)，18 名受試者依次完成后記為一組實(shí)驗(yàn)，A、B 組均進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)間隔72 h.實(shí)驗(yàn)同步采集3 類原始數(shù)據(jù)，分別為下肢位置信息、sEMG 的原始信號(hào)，以及sRPE 主觀量表評(píng)分，并且分別按照實(shí)驗(yàn)分組對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，摘除明顯異常數(shù)據(jù).

2 疲勞特征計(jì)算及提取

為了對(duì)下肢穿戴外骨骼步態(tài)訓(xùn)練過程中受試者的疲勞狀態(tài)進(jìn)行主、客觀綜合分析，在第1 章步態(tài)分析對(duì)比實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分別通過EMGFT算法、下肢穩(wěn)定性分析方法和sRPE 評(píng)分計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)獲取的下肢位置信息、sEMG 的原始信號(hào)以及sRPE 主觀量表評(píng)分原始數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)基于表面肌電與步態(tài)的外骨骼穿戴疲勞評(píng)測.

2.1 肌肉疲勞閾值

sEMG 是通過生物活動(dòng)期間肌肉產(chǎn)生的生物信號(hào)經(jīng)電極引導(dǎo)捕捉而來，對(duì)所捕捉信號(hào)進(jìn)行放大和記錄獲得有序的一維時(shí)間序列信號(hào).sEMG信號(hào)采集具有低風(fēng)險(xiǎn)、多靶點(diǎn)以及非損傷性的特點(diǎn)[13].EMGFT是將sEMG 信號(hào)的計(jì)算確定肌肉疲勞閾值的方法[14].相較于其他傳統(tǒng)sEMG 信號(hào)疲勞特征分析方法，EMGFT是sEMG 信號(hào)的均方根值.對(duì)預(yù)處理sEMG 信號(hào)進(jìn)行加窗計(jì)算，獲取肌肉進(jìn)入無氧閾值的時(shí)間點(diǎn)，可以更好反映監(jiān)測部位的肌肉狀態(tài)與特征狀態(tài).本研究通過EMGFT對(duì)A、B 組實(shí)驗(yàn)中受試者的股內(nèi)肌進(jìn)行疲勞閾值計(jì)算，得出作為受試者疲勞程度的量化依據(jù).

在進(jìn)行EMGFT計(jì)算之前，需要對(duì)原始sEMG進(jìn)行預(yù)處理，由于人體sEMG 集中于0～500 Hz，在使用低通濾波器去除實(shí)驗(yàn)過程中，傳感器觸碰與摩擦產(chǎn)生的噪聲通過49.5～50.0 Hz 陷波濾波器去除工頻噪聲[15].當(dāng)采樣頻率為2 000 Hz 時(shí)，樣本數(shù)據(jù)量大，為了有效地計(jì)算均方根值（root mean square，RMS），對(duì)預(yù)處理后的sEMG 數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗計(jì)算.實(shí)驗(yàn)時(shí)長固定且樣本量較大，因此設(shè)定固定長度的移動(dòng)窗（mov）與時(shí)間窗（tim）提高結(jié)果精度，根據(jù)時(shí)間長度設(shè)定mov 為2 s，tim 為1 s，6 min 實(shí)驗(yàn)將獲得360 個(gè)數(shù)據(jù)樣本.

為了量化分析肌肉疲勞程度，對(duì)預(yù)處理后的sEMG 信號(hào)進(jìn)行EMGFT計(jì)算，具體步驟如下.

1）通過sEMG 信號(hào)與處理方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)采集到的A、B 組的sEMG 原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并建立sEMG 數(shù)據(jù)集.

2）對(duì)經(jīng)過預(yù)處理的sEMG 數(shù)據(jù)集進(jìn)行加窗計(jì)算，得到RMS 數(shù)據(jù)集：

式中：Nt為單個(gè)時(shí)間窗內(nèi)sEMG 信號(hào)的數(shù)據(jù)數(shù)量，i為數(shù)據(jù)序號(hào)，Ei為sEMG 數(shù)據(jù)集中的第i個(gè)數(shù)據(jù)序號(hào).

3）由于本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量較大，將所得RMS 數(shù)據(jù)集分為M、N這2 個(gè)部分.將15 個(gè)RMS 數(shù)據(jù)點(diǎn)作為一組記為M1，剩余數(shù)據(jù)點(diǎn)記為N1，M1、N1的結(jié)合作為擬合組1；將15+1 個(gè)RMS 數(shù)據(jù)點(diǎn)作為M2，剩余數(shù)據(jù)作為N2，M2、N2的結(jié)合作為擬合組2，之后以此類推.當(dāng)Nn的RMS 數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量等于M1的RMS 數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)，將Mn、Nn作為擬合組n.對(duì)n個(gè)擬合組進(jìn)行一階最小二乘擬合，得到2 條擬合直線并用公式kMn·kNn計(jì)算每組擬合直線的斜率乘積.

4）將步驟3）中計(jì)算的得到的斜率乘積最大的一組數(shù)據(jù)中擬合直線的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間作為EMGFT，圖6 為EMGFT計(jì)算原理.

圖6 EMGFT 計(jì)算原理圖Fig.6 Calculation schematic of EMGFT

2.2 下肢穩(wěn)定性分析方法

為了進(jìn)行步態(tài)過程膝關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性分析，分別對(duì)A、B 組受試者進(jìn)行動(dòng)作捕捉，通過大腿與小腿2 處的慣性測量單元（inertial measurement unit,IMU）傳感器與Isen 模塊輸出膝關(guān)節(jié)外展角角度，所用IMU 傳感器角度精度為小數(shù)點(diǎn)后5 位，滿足實(shí)驗(yàn)要求.該外展角α 如圖7（b）所示，坐標(biāo)平面如圖7（a）所示.

圖7 膝關(guān)節(jié)外展角示意圖Fig.7 Schematic diagram of knee abduction angle

在行走過程中，膝關(guān)節(jié)活動(dòng)由多塊肌肉相互配合發(fā)力進(jìn)行，下肢肌肉進(jìn)入疲勞狀態(tài)時(shí)會(huì)影響膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性從而讓動(dòng)作產(chǎn)生偏移[16].方差作為衡量一組數(shù)據(jù)離散程度的特征值，對(duì)單一變量數(shù)據(jù)集進(jìn)行方差計(jì)算，可以反映該組數(shù)據(jù)的波動(dòng)大小，即該組數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性.膝關(guān)節(jié)外展角方差計(jì)算結(jié)果將有效反映實(shí)驗(yàn)過程中受試者下肢穩(wěn)定性狀況，即下肢疲勞程度.對(duì)實(shí)驗(yàn)中所采集動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)進(jìn)行膝關(guān)節(jié)偏移距離方差S2進(jìn)行計(jì)算：

2.3 主觀評(píng)分計(jì)算方法

下肢疲勞是一種主觀感受與客觀感受相互影響的多維現(xiàn)象，為了綜合評(píng)價(jià)外骨骼穿戴疲勞狀態(tài)，需要受試者進(jìn)行多次sRPE 評(píng)分反饋，因此實(shí)驗(yàn)使用1.1.2 節(jié)中所描述的改進(jìn)CR-10 scale 采集受試者的疲勞評(píng)分.按照10 級(jí)對(duì)疲勞等級(jí)進(jìn)行劃分，如表2 所示.考慮到受試者均有負(fù)重并且訓(xùn)練強(qiáng)度適中，為了提高反饋評(píng)分進(jìn)度，將費(fèi)力與非常費(fèi)力拆分為2 個(gè)評(píng)分等級(jí)，提高受試者在該感受下的判斷空間.根據(jù)表2，在6 min 的實(shí)驗(yàn)中對(duì)每名受試者進(jìn)行4 次疲勞評(píng)分收集，分別為0、2、4、6 min.將每小組均值作為sRPE 評(píng)分特征值.

表2 CR-10 scale 疲勞程度對(duì)照表Tab.2 CR-10 scale Comparison table of fatigue degree

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 EMGFT 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2.1 節(jié)中所述的預(yù)處理方法，對(duì)原始sEMG進(jìn)行低通濾波與陷波濾波處理，隨機(jī)挑選一名受試者的原始sEMG 信號(hào)預(yù)處理（R）結(jié)果如圖8 所示.通過2.1 節(jié)中對(duì)預(yù)處理過后的sEMG 信號(hào)進(jìn)行EMGFT計(jì)算，隨機(jī)挑選一名受試者，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 所示，其中sEMG 原始信號(hào)為G，EMGFT到達(dá)時(shí)間為t，F(xiàn)r為頻率.各組EMGFT均值如表3 所示.

表3 A、B 組的EMGFT 平均到達(dá)時(shí)間與變化時(shí)長Tab.3 EMGFT average arrival time and duration of change in group A and B

圖8 sEMG 信號(hào)預(yù)處理過程時(shí)域和頻域圖Fig.8 Time and frequency domain diagrams of sEMG signal preprocessing

圖9 RMS 擬合直線交點(diǎn)與EMGFT 到達(dá)時(shí)間的變化趨勢Fig.9 RMS fitting of line intersections and trend of arrival time of EMGFT

由圖8 可知在A、B 組實(shí)驗(yàn)中，外骨骼可以有效延緩負(fù)載狀態(tài)下受試者股內(nèi)肌到達(dá)疲勞的時(shí)間，且該套外骨骼對(duì)于A2、A3 的影響相較于B2、B3 組t明顯延后，對(duì)于A1 組與B2 組，效果不佳.A1 組與B1 組相比，A1 組t僅比B1 組平均延后1.3 s，該結(jié)果表明非熟練者使用外骨骼難以起到有效緩解疲勞的作用；A2 組與B2 組對(duì)比，A2 組t相比B2 組平均推遲了51.7 s.由此可見，熟練使用外骨骼將極大推遲t；A3 組與B3 組對(duì)比，A3 組t相比B3 組平均推遲了44.6 s，由該組結(jié)果可知身體素質(zhì)較高者使用外骨骼同樣能起到延緩疲勞的作用.

在A 組實(shí)驗(yàn)中，相較于A1 組，A2 組受試者對(duì)外骨骼的使用效果提升了211%，A3 組受試者對(duì)外骨骼的使用效果提升了333%.A2 組相較于A3 組，其使用效果提升了41%.橫向?qū)Ρ華 組顯示，身體素質(zhì)和熟練度是決定外骨骼使用效果的相關(guān)因素，在相同身體素質(zhì)情況下，熟練度起到?jīng)Q定性作用.

在B 組實(shí)驗(yàn)中，B2 組的EMGFT與B1 組相差6%，B3 組相較于B1 組的EMGFT延后157%.B3 組相較于B2 組的EMGFT延后140%.橫向?qū)Ρ華 組，結(jié)果表明身體素質(zhì)較好的實(shí)驗(yàn)對(duì)象晚達(dá)到疲勞時(shí)間，同時(shí)B2 組與B1 組身體素質(zhì)相當(dāng)，在不借助外骨骼的情況下EMGFT相當(dāng).

3.2 膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性分析

對(duì)膝關(guān)節(jié)進(jìn)行2.2 節(jié)中的穩(wěn)定性計(jì)算，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長，獲取數(shù)據(jù)量較大，因此對(duì)A、B 組數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗，并計(jì)算其方差S2.設(shè)時(shí)間窗為2.5 s，移動(dòng)窗為5.0 s.獲取受試者膝關(guān)節(jié)偏移量方差，并對(duì)該方差進(jìn)行最小二乘法曲線擬合，同時(shí)計(jì)算該直線斜率P.隨機(jī)挑選一名受試者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行展示，如圖10所示.將A、B 組的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，穿戴外骨骼進(jìn)行步態(tài)負(fù)載訓(xùn)練時(shí)下肢穩(wěn)定性均高于未穿戴外骨骼，A 組方差擬合直線斜率均小于B 組，證明該外骨骼可以有效緩解因疲勞引起的膝關(guān)節(jié)抖動(dòng)加大.

圖10 膝關(guān)節(jié)偏移量方差的擬合直線與擬合直線的斜率Fig.10 Fitting line and slope of fitting line for variance of knee joint offset

縱向?qū)Ρ華1 組與B1 組，P下降了67.8%；A2 組與B2 組，P下降了77.2%；A3 組與B3 組對(duì)比，P下降了84.1%.該組結(jié)果對(duì)比表明，外骨骼對(duì)于A1、A2、A3 組成員下肢穩(wěn)定性均有穩(wěn)定提升，并且與身體素質(zhì)，熟練度等相關(guān)因素相關(guān)性較小.對(duì)A 組進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋珹2 組相較于A1 組，P下降了25.0%；A3 組相較于A1 組，P下降了60.7%；A3 對(duì)比A2，P提升了91.0%.該結(jié)果顯示，高熟練對(duì)下肢穩(wěn)定性的影響較低，但較好的身體素質(zhì)對(duì)下肢穩(wěn)定性的影響較大.橫向?qū)Ρ菳 組，B2 組相較于B1 組，P上升了8.0%；B3 組相較于B1 組，P下降了20.7%；B3 對(duì)比B2，P提升了25.0%.在無外骨骼穿戴的負(fù)載步態(tài)實(shí)驗(yàn)中，身體素質(zhì)與下肢穩(wěn)定性有直接關(guān)系.

3.3 sRPE 對(duì)照反饋

根據(jù)2.3 節(jié)中所述CR-10 scale 對(duì)A、B 組進(jìn)行主觀疲勞評(píng)分收集，并對(duì)各小組sRPE 特征值（F）進(jìn)行提取.隨機(jī)挑選一組受試者數(shù)據(jù)進(jìn)行展示，結(jié)果如表4、5 所示.實(shí)驗(yàn)每2 min 進(jìn)行一次評(píng)分收集，結(jié)果表明，穿戴外骨骼負(fù)載實(shí)驗(yàn)使得sRPE 評(píng)分平均下降28.5%，并且A3 與B3 組均保持在相對(duì)輕松的主觀感受中，同時(shí)A2 組測試結(jié)果表明該組通過使用外骨骼也達(dá)到了相對(duì)輕松狀態(tài).

表4 A 組穿戴外骨骼且負(fù)重sRPE 評(píng)分表Tab.4 Group wears exoskeleton and bears weight sRPE score

表5 B 組穿戴外骨骼且負(fù)重sRPE 評(píng)分表Tab.5 Group B wears exoskeleton and weight-bearing sRPE score

在A 組中，在使用外骨骼的情況下，A2 組相較于A1 組，F(xiàn)下降了43.5%；A3 組相較于A1 組，F(xiàn)下降了50.5%；A3 組相較于A2 組，F(xiàn)下降了12.6%.在B 組中，B2 組相較于B1 組，F(xiàn)下降了15.1%；B3 組相較于B1 組，F(xiàn)下降了53.1%；B3 組相較于B2 組，F(xiàn)下降了44.8%.結(jié)果表明，外骨骼對(duì)非熟練使用者有主觀上的疲勞減輕作用，熟練使用后可進(jìn)一步放大疲勞緩解的效果.

3.4 特征值對(duì)比

對(duì)3 組特征值進(jìn)行匯總并進(jìn)行分組對(duì)比，外骨骼在負(fù)重狀態(tài)下對(duì)受試者的輔助提升效果如表6 所示.

表6 各組特征值與總體提升率Tab.6 Individual group features and overall enhancement rate

由表6 可知，所用外骨骼在3 個(gè)方面對(duì)受試者起到輔助作用.在下肢疲勞方面，熟練使用外骨骼有效推遲EMGFT，平均推遲了42.9%.雖然A3 組配戴外骨骼同樣可以延緩EMGFT，但是相較于B3 組其提升效果低于A2 與B2 組；在下肢穩(wěn)定性方面，該套外骨骼表現(xiàn)效果突出，穩(wěn)定性綜合提升了75.8%.A3 組與B3 組效果相對(duì)突出，因此該套外骨骼可以有效提高下肢穩(wěn)定性，同時(shí)有效緩解疲勞；在主觀疲勞方面，外骨骼對(duì)受試者的主觀疲勞感受平均減輕了30.3%，同時(shí)熟練使用外骨骼可以進(jìn)一步降低主觀疲勞感受.

4 結(jié) 論

1）在18 名受試者進(jìn)行無源下肢外骨骼的負(fù)載對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，通過sRPE 評(píng)分與膝關(guān)節(jié)穩(wěn)定性對(duì)EMGFT值進(jìn)行主、客觀驗(yàn)證，3 組數(shù)據(jù)在不同分組條件下均具有相同趨勢，其特征值具有較強(qiáng)相關(guān)性，可以作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).

2）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)中各組數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，實(shí)驗(yàn)所使用的無源下肢外骨骼在熟練使用的情況下，有效降低人體在負(fù)載狀態(tài)行走中產(chǎn)生的肌肉負(fù)荷.根據(jù)受試者反饋發(fā)現(xiàn)，當(dāng)外骨骼通過背板與連接部位緩解壓力時(shí)，肩部感到較為明顯的局部壓力會(huì)影響主觀疲勞評(píng)分，因此人機(jī)關(guān)系優(yōu)化可能會(huì)改善局部壓力所產(chǎn)生的主觀疲勞.

3）在實(shí)驗(yàn)中，A3 與B3 組均表現(xiàn)出較高下肢穩(wěn)定性與較晚到達(dá)EMGFT值的特點(diǎn)，可以判斷受試者更晚進(jìn)入疲勞狀態(tài)，因此較好的身體素質(zhì)將有效提高外骨骼使用效果.在所有受試者反饋中，均提到外骨骼背部負(fù)重板影響動(dòng)作靈活性的問題.

本研究通過驗(yàn)證所提方法的可行性與有效性，為外骨骼使用效能的評(píng)價(jià)與優(yōu)化方法選擇提供參考.在接下來的相關(guān)研究中，需要更加關(guān)注樣本差異性以及基于此評(píng)價(jià)的外骨骼升級(jí)優(yōu)化.