一种外骨骼对人体搬运过程呼吸代谢及膝关节受力的影响

【作者】 黄治官； 谢中浩； 楚仕顺； 胡欣钧； 曾楠； 罗冬林；

【机构】 广州体育学院； 广州海同工业技术有限公司；

【摘要】 目的:搬运工作是日常体力劳作中最常见的重体力劳作动作之一,也是肌肉骨骼方面职业病的常见诱导之一。不同智能程度的外骨骼越来越多地成为重体力劳作者职业健康防护、助力和降低肌肉骨骼疾病风险的手段。本研究模拟人体搬运工作过程并验证使用一种外骨骼对人体搬运过程呼吸代谢及膝关节生物力学的影响,为产品工效评价和外骨骼优化提供参考。方法:招募12名健康男性作为受试者,年龄18-35岁。在开始实验前受试者了解实验过程并签署知情同意书。受试者身穿紧身服完成5分钟的热身运动,戴好便携式呼吸代谢仪面罩测量呼吸频率、摄氧量、心率等指标,并根据全身肌肉骨骼模型将56个Marker点粘贴在全身相关骨性标志处,使用VICON Nexus三维红外动作捕捉系统和AMTI三维测力台系统同步采集marker点运动轨迹和地面反作用力。每位受试者先后随机选择有穿戴Hyetone助力外骨骼和不穿戴外骨骼进行两次实验,两次之间至少间隔1天以减少测试前疲劳影响。每次实验中,受试者先后搬运重量为11KG、16KG、21KG的箱子,具体流程如下:受试者双足站在测力台上按一定节奏原地上下搬运11KG重量箱子3min,接着搬着箱子在埋有测力台的约5米长道上常速步行约5次,结束后放下箱子休息15min;然后按以上流程搬运16KG重量箱子2min及步行5次,休息20min;最后搬运21KG重量箱子1min及步行5次,全程进行呼吸代谢测试和动作捕捉分析。Marker点轨迹数据和测力台数据导入Visual3D (版本V6)建立肌骨模型并进行生物力学计算。将受试者每个重量原地搬运过程的倒数第三个从地面搬起箱子至最高点和在最高点将箱子放下地面的两个过程划分为特定事件。计算在该事件下受试者膝关节的运动学和动力学数据。对各事件下满足正态分布数据进行配对样本t检验,并计算两种穿戴情况下在搬起箱子至最高点瞬间的膝关节垂直轴关节受力的差异率,并对膝关节在垂直轴方向的关节受力差异采用Statistical Parametric Mapping(SPM1d)进行比较,取P<0.05为具有统计学意义。结果:1)在原地搬运过程,受试者是否穿戴外骨骼和搬运的重量对搬运前后时刻的摄氧量变化值具有明显的交互效应(F=9.610,P=0.003),不穿外骨骼搬动重物前后时刻摄氧量平均差值为,穿戴时为,穿戴外骨骼时搬动重物前后时刻摄氧量平均差值(14.33±0.667ml/min/kg)明显比不穿外骨骼时(18.47±0.667 ml/min/kg)低。2)受试者不穿外骨骼时分别在搬运11kg、16kg、21kg等3个重量时的平均摄氧量为16.0、16.8、18.5 ml/min/kg,穿戴外骨骼时分别为15.0、20.6、19.8 ml/min/kg。受试者在无负重行走时穿戴与不穿外骨骼其摄氧量无明显差异。3)在搬运工作的特定事件中,相同搬运重量下穿戴Hyetone助力外骨骼与不穿戴外骨骼在膝关节垂直轴方向上,关节受力均无统计学意义。在差异变化率方面,穿戴Hyetone助力外骨骼后在特定事件下搬起11kg箱子至最高点瞬间膝关节垂直轴关节受力的差异变化率为,左膝关节变化率9.49%,右膝关节变化率17.4%;搬起16kg箱子时,左膝关节变化率-4.01%,右膝关节变化率-6.9%;搬起21kg箱子时,左膝关节变化率9.86%,右膝关节变化率20.78%。可见,差异变化幅度较大的是进行11kg和21kg重量搬运,而16kg重量搬运差异变化幅度较小,且各个搬运重量下的左侧膝关节垂直轴差异变化率明显小于右侧膝关节。结论:穿戴PHES9壮手外骨骼在原地搬重物时能明显减轻使用者的能量消耗,从而延缓疲劳产生,起到省力工效,而搬运不同重量重物的省力效果不同,所起到的助力效果对更重的搬运工作更有省力和防护工效,这种外骨骼工效和与搬运重量之间的量效关系需进一步研究。搬运中的优势或惯用腿可能在搬运工作更易疲劳。总体上,穿戴合适的助力外骨骼对不同重量搬运工作都可能有不同的省力防护工效,特别是膝关节的载荷受力程度改善。更多还原