趙毅陽,張 豪,李俊邑,劉 兵,劉 冰,袁 博

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 重慶 400054)

膝關(guān)節(jié)是人體最大、結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的關(guān)節(jié),起到了支撐上肢重量和緩沖的作用,同樣也是人體運動最容易受到傷害的關(guān)節(jié)之一[1]。消防隊員和軍事人員通常要攜帶超過30 kg的設(shè)備或物資執(zhí)行任務(wù),會極大的增加體能消耗,同時也增加了骨骼肌受損傷的風(fēng)險[1-2]。有研究表明,當(dāng)人體處于連續(xù)上樓梯時,會增加人體的能量代謝[3],膝關(guān)節(jié)承受的力量大約為人體自重的2倍[4],并且當(dāng)人體在負(fù)重的情況下,在樓梯間行走時,膝關(guān)節(jié)所承受的負(fù)荷會大大增加,對膝關(guān)節(jié)會造成極大的損傷[5]。此外,生活中還有很多膝關(guān)節(jié)損傷的患者,如骨性關(guān)節(jié)炎、髕骨軟化癥和半月板損傷等疾病造成患者膝關(guān)節(jié)行走能力退化[6]。經(jīng)預(yù)測,在2050年,我國65歲以上人口將達(dá)到3.34億人[7],未來勞動力會出現(xiàn)短缺,所以,更加需要關(guān)注年輕勞動人群的膝關(guān)節(jié)健康情況和老年人膝軟無力的情況。在這種情況下,就需要使用主動式下肢助力外骨骼增強(qiáng)人體的下肢力量和耐力,預(yù)防和緩解膝關(guān)節(jié)的疲勞病變。

主動式下肢助力外骨骼是一種人體可穿戴式的機(jī)械裝置,并聯(lián)于人體的下肢,可用于增強(qiáng)或是恢復(fù)人體的運動能力[8-9],也可以為膝關(guān)節(jié)功能障礙的患者進(jìn)行步態(tài)康復(fù)[10-12],它可以根據(jù)人體的運動意圖進(jìn)行肢體跟隨并為下肢助力或支撐。Maclean等[13]做了在不同場景下穿戴膝關(guān)節(jié)外骨骼的能量代謝實驗,嘗試了在戶外更加真實的場景下去進(jìn)行實驗,實驗結(jié)果說明當(dāng)膝關(guān)節(jié)需要更大的正向機(jī)械功時,膝關(guān)節(jié)外骨骼才可以降低代謝消耗,并且在戶外測試時,受試者無法達(dá)到代謝穩(wěn)定狀態(tài),難以對能量成本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計;楊燦軍等[14]設(shè)計了一款柔性膝關(guān)節(jié)保護(hù)外骨骼,在支撐期具有剛性,在擺動期具有柔性,可在運動中對膝關(guān)節(jié)負(fù)載減重及助力;劉王智懿等[15]設(shè)計了一款采用鮑登繩柔性驅(qū)動的下肢助力外骨骼,采用傳統(tǒng)的PID控制驅(qū)動系統(tǒng),并進(jìn)行了平路行走的能量代謝實驗有效證明穿戴此外骨骼降低代謝15%以上。

本課題組研究了一款主動式膝關(guān)節(jié)助力外骨骼,但目前為止,國內(nèi)外對下肢助力外骨骼開展的性能評估研究不夠全面。為進(jìn)一步弄清楚人體使用主動式膝關(guān)節(jié)助力外骨骼在連續(xù)上樓梯、單步上臺階和深蹲起時的助力機(jī)制和改進(jìn)方向,本研究對其進(jìn)行綜合助力性能評估。

1 方法

1.1 受試外骨骼

本款受試外骨骼是根據(jù)人上樓梯的步態(tài)行為以及我國人體工程學(xué)中人體測量學(xué)的特征,自主研發(fā)設(shè)計的主動式膝關(guān)節(jié)助力外骨骼,可在上臺階過程中對膝關(guān)節(jié)進(jìn)行助力,同時緩解膝關(guān)節(jié)所受到的壓力,該外骨骼自重10 kg,續(xù)航時間最長可達(dá)到4 h,最大輸出轉(zhuǎn)矩為15 N·m,尺寸大小可調(diào),能適應(yīng)身高為165～190 cm的人。

受試外骨骼結(jié)構(gòu)布局如圖1所示,受試外骨骼由背部的主動式卷線驅(qū)動器、鋼絲線管傳動機(jī)構(gòu)、腿部剛性執(zhí)行機(jī)構(gòu)、鋼絲滑輪、鞋套和綁縛組成。主動式卷線驅(qū)動器由無刷電機(jī)、卷線盤和并聯(lián)扭簧構(gòu)成,通過增加彈性元件,可確保鋼絲在電機(jī)不助力時,保持緊繃狀態(tài),避免鋼絲松弛而引發(fā)系統(tǒng)不確定性。通常外骨骼的驅(qū)動部分都放在關(guān)節(jié)處,雖然提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的效率,但也增加了關(guān)節(jié)的負(fù)擔(dān),增加了人體下肢擺動慣性,靈活性較低。為此,主動式卷線驅(qū)動器放置于人體背部,可有效減輕膝關(guān)節(jié)處的負(fù)擔(dān)。采用鋼絲線管的傳動方式,這種方式可有效降低外骨骼結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,鋼絲繩柔性驅(qū)動不僅結(jié)構(gòu)緊湊靈巧而且承載力較大,可靠性較好。

圖1 膝關(guān)節(jié)助力外骨骼結(jié)構(gòu)布局示意圖

1.2 電機(jī)驅(qū)動助力模型建立

受試外骨骼采用的無刷電機(jī)并聯(lián)卷簧機(jī)構(gòu),以卷線盤纏繞柔性鋼絲,通過鋼絲將拉力柔性傳遞至外骨骼膝關(guān)節(jié)處,以圖2建立電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和外骨骼膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩關(guān)系式為:

(1)

式中:i為傳動比;TK為外骨骼膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩;TM為電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩;r1為卷線盤半徑;r2為膝關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)半徑。

圖2 并聯(lián)彈性驅(qū)動結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)角速度和膝關(guān)節(jié)角速度關(guān)系式為:

(2)

式中:wK為膝關(guān)節(jié)角速度;wM為電機(jī)角速度。

其中人體膝關(guān)節(jié)角速度公式為:

(3)

式中:Δθ為上臺階過程中膝關(guān)節(jié)的變化角度;ΔΤ為單側(cè)腿上臺階周期。

按照中國成年人的平均身高為175 cm計算[16],人體上臺階部分參數(shù)和外骨骼參數(shù)如表1所示。

表1 人體上臺階部分參數(shù)和外骨骼參數(shù)

將表1中參數(shù)r1、r2、Δθ和ΔΤ代入式(2)(3)聯(lián)合求解,可得到上臺階膝關(guān)節(jié)極限角速度為8.38 rad/s、傳動比為3.06和電機(jī)的角速度為25.64 rad/s,由此對電機(jī)進(jìn)行選型,選型電機(jī)參數(shù)常轉(zhuǎn)矩為6 N·m,電機(jī)轉(zhuǎn)速為300 r/min,可滿足轉(zhuǎn)速需求,根據(jù)電機(jī)常轉(zhuǎn)矩TM為6 N·m,代入式(1)可得外骨骼膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩TK為18.36 N·m。

為了進(jìn)一步獲取受試外骨骼膝關(guān)節(jié)的理論助力效率可用式(4)計算。

(4)

式中:η為外骨骼膝關(guān)節(jié)理論助力效率;TN為上臺階時人體的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)人上樓梯時,主要是由股四頭肌為膝關(guān)節(jié)提供力矩TN,用于克服人體重量,其中TN可通過大腿等長肌力測試求得,等長肌力是指肌肉收縮時,在長度不變情況下,對抗阻力的靜力性力量?？赏ㄟ^大腿等長肌力測試測出人體膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。測試樣本量為6名男性,分別對其左、右腿進(jìn)行大腿等長肌力測試,測試工具:拉力傳感器和繩帶;測試方法[17]如圖3所示,受試者坐于凳椅上,繩帶一端綁系在受試者踝關(guān)節(jié)處,繩帶另一端綁系在拉力傳感器處,從凳椅下伸出,拉力傳感器由輔助人員拉住使繩帶繃直,受試者伸直腿,股四頭肌靜態(tài)發(fā)力,通過拉力傳感器測出股四頭肌的等長肌力,以踝關(guān)節(jié)至膝關(guān)節(jié)距離為力臂長度,結(jié)果如表2所示,計算出人體膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩約為 77.61 N·m。

圖3 等長肌力測試場景圖

表2 大腿等長肌力測試

可由式(4)求得外骨骼膝關(guān)節(jié)的理論助力效率約為23.66%,表明人體穿戴受試外骨骼上臺階理論上可降低穿戴者約23.66%的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩。

1.3 受試者

本實驗共招募6名成年男性為受試者,平均年齡:23歲,平均身高:(171.5±5.4)cm,體重:(69.3±3.3)kg,外骨骼樣機(jī)可調(diào)節(jié)尺寸范圍滿足所有受試者,具體身體信息如表3所示。所有受試者測試前均未報告患骨骼肌肉疾病。受試前實驗員對受試者進(jìn)行外骨骼穿戴使用培訓(xùn),并告知受試者所有測試項目流程及細(xì)節(jié),所有受試均自愿參與測試。

表3 受試者身體信息

1.4 實驗設(shè)備及材料

1.4.1代謝成本測試

代謝成本測試采用德國Carefusion公司的運動心肺功能測試儀Oxycon Mobile,該設(shè)備可實時采集運動過程中耗氧量、二氧化碳呼出量、心率等生理數(shù)據(jù)。

1.4.2肌肉活動測試

肌肉活動測試采用美國的Noraxon MyoMuscle多路肌電信號采集系統(tǒng),該設(shè)備可進(jìn)行運動過程中肌電信號實時采集。

1.5 實驗方法

本實驗通過對比分析有無主動式膝關(guān)節(jié)助力外骨骼在連續(xù)上臺階的綜合代謝成本、單步上臺階、深蹲起的局部肌肉活動,綜合評估該外骨骼性能。

綜合代謝成本測試:為了評估該外骨骼對穿戴者連續(xù)爬升過程的綜合助力效能,通過以下實驗,對穿戴外骨骼和無外骨骼狀態(tài)下,受試者綜合代謝成本指標(biāo)進(jìn)行對比。受試者需要在2種受試條件下,連續(xù)以每分鐘56步的速度上臺階,進(jìn)行10 min代謝成本的實驗。實驗順序為隨機(jī)態(tài)進(jìn)行,每個受試者連續(xù)進(jìn)行3 d的重復(fù)實驗[18],避免偶然性,并且受試者在每種條件進(jìn)行實驗前,需測量靜息狀態(tài)下的代謝成本,以消除累計疲勞造成的誤差,測試現(xiàn)場如圖4所示。每位受試者分別在兩組實驗之間休息60 min以上,以保證受試者的體能恢復(fù)。

圖4 受試者連續(xù)上臺階實驗圖

局部肌肉活動測試:為了評估該外骨骼對膝關(guān)節(jié)的局部助力效能,通過以下實驗,對穿戴外骨骼和無外骨骼狀態(tài)下,受試者的股四頭肌肌電信號進(jìn)行對比,股四頭肌由股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌以及股中間肌組成,由于股中間肌被股直肌覆蓋,無法直接測取股中間肌表面肌電信號,故本次實驗不再測量股中間肌。測試前先用酒精棉球涂抹測試肌肉部位,去除皮膚表面油污等雜質(zhì),減少肌電信號采集中皮膚阻抗的影響,然后沿著肌肉纖維方向貼好電極片[19],固定好信號采集器。① 爬升單步臺階實驗:受試者在穿戴外骨骼或不穿戴外骨骼的狀態(tài)下,分別爬升15、30、45 cm的單層臺階,相同動作重復(fù)8次,由此獲得多組相同條件下的爬升臺階腿部肌電信號。試驗中規(guī)定每個人確定自己的慣用腿作為上單級臺階時的前邁腿,在爬升的過程中,不帶有任何助跑或先微蹲蓄力的動作,并且盡量減少后邁小腿的蹬踏動作。其試驗過程中的運動姿態(tài)如圖5(a)所示;② 深蹲起實驗:受試者穿戴或不穿外骨骼坐下到30 cm高度的臺階上,待坐姿穩(wěn)定后,再雙腿發(fā)力直至站立,相同動作重復(fù)進(jìn)行8次,由此獲得多組相同條件下的深蹲起腿部肌電信號,其試驗過程中的運動姿態(tài)如圖5(b)所示。

圖5 單步上臺階和深蹲起實驗圖

1.6 數(shù)據(jù)處理方法

1.6.1綜合代謝成本測試

在每種受試條件下,取最后2 min的耗氧量和二氧化碳呼出量作為平均值,根據(jù)Collions等[20]的研究,利用公式(5)獲取每種受試條件下的代謝功率,再減去每次開始前靜息實驗的代謝功率,獲取每種受試條件下的凈代謝功率。

(5)

式中:H為單位質(zhì)量凈代謝功率,W/kg;VO2為凈耗氧量;VCO2為凈二氧化碳呼出量, mL/s;m為受試者的體重,kg。

1.6.2肌肉活動測試

通過Noraxon-DTS采集系統(tǒng)的運動數(shù)據(jù)同步,將受測處肌肉的肌電信號進(jìn)行帶通濾波(低頻閾值20 Hz,高頻閾值300 Hz),正值整流,以及均方根平滑處理。本實驗提取肌電信號時域特征均方根值(root mean square,RMS),RMS可描述受測處表面肌電信號在一定時間內(nèi)的集中程度,以此來反映上臺階或深蹲起過程中肌肉的發(fā)力情況。該信號處理過程的具體計算公式如下:

(6)

式中:xi為一個采樣點幅值;(i=0,1,2,…,N-1)為一長度為N的時間序列。本實驗中設(shè)計的肌電信號采樣頻率為1 500 Hz;RMS采樣周期窗口為500 ms。

另外,由于不同受試者之間采集到的表面肌電信號存在較大的差異性,為了將多位受試者的實驗結(jié)果進(jìn)一步平均和綜合分析,在得到個體發(fā)力的RMS值后,還采用了歸一化處理。具體歸一化處理方式是計算上臺階時肌電信號均方根值占統(tǒng)計采集的個人最大肌電信號均方根值的百分比。

(7)

式中:RMS%為歸一化處理后的肌電信號均方根值;RMSi是受測處表面肌電信號均方根值;RMSMax是統(tǒng)計所得個人受測處最大肌電信號均方根值。

本研究中出現(xiàn)的降低比例、升高比例和助力效率η通過式(11)計算而來。

(8)

式中:Wn指無外骨骼時的生理指標(biāo)測量值;Wy指穿外骨骼的生理指標(biāo)測量值,該生理指標(biāo)測量值在肌電信號測試中為歸一化處理的肌電均方根值,在代謝成本測試中為單位質(zhì)量凈代謝功率。

2 結(jié)果

2.1 代謝成本測試

首先對受試者重復(fù)性實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)檢驗,單因素方差分析(ANOVA)可用于研究多次實驗的數(shù)據(jù)之間是否有顯著性差異,組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(ICC)可用于評價多次實驗中同一數(shù)據(jù)測量結(jié)果的一致性。所有受試者數(shù)據(jù)均具有正態(tài)分布性和方差齊性,對耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質(zhì)量凈代謝功率的單因素方差分析以及組內(nèi)相關(guān)性檢驗結(jié)果,如表4所示,耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質(zhì)量凈代謝功率在3次實驗之間均不存在顯著性差異,且都存在較高一致性,說明各個受試者在重復(fù)3次的代謝成本實驗中數(shù)據(jù)結(jié)果基本一致,不存在顯著性差異。

表4 耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質(zhì)量凈代謝功率的單因素方差分析以及組內(nèi)相關(guān)性

在穿戴和不穿外骨骼條件下,受試者連續(xù)上臺階的耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質(zhì)量凈代謝功率數(shù)據(jù),如表5和圖6所示。在無外骨骼時,平均耗氧量為(27.13±1.58)mL/(kg·min),穿戴外骨骼時,平均耗氧量為(28.00±1.71)mL/(kg·min),平均升高了3.21%(p=0.25);在無外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.37±1.48)mL/(kg·min),穿戴外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.68±1.75)mL/(kg·min),平均升高了1.27%(p=0.62);通過代謝功率公式計算得平均代謝功率升高了2.8%(p=0.30),且在穿戴外骨骼和不穿戴外骨骼條件下均無顯著性差異。

表5 連續(xù)上臺階過程中的代謝成本指標(biāo)

圖6 代謝成本指標(biāo)數(shù)據(jù)直方圖

2.2 肌肉活動測試:

1)爬升單步臺階實驗:本測試采集了無外骨骼和穿戴外骨骼在不同高度臺階時股直肌、股外側(cè)肌、股內(nèi)側(cè)肌的肌電信號,實驗結(jié)果見表 6和圖 7,爬升15 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低40.30%(p=0.026),股外側(cè)肌肌肉活動平均降低19.93%(p=0.008),股內(nèi)側(cè)肌肌肉活動平均降低28.51%(p=0.001);爬升30 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低29.81%(p=0.022),股外側(cè)肌肌肉活動平均降低8.31%(p=0.155),股內(nèi)側(cè)肌肌肉活動平均降低18.36%(p=0.034);爬升45 cm臺階時,其中股直肌肌肉活動平均降低20.75%(p=0.017),股外側(cè)肌肌肉活動平均降低14.08%(p=0.006),股內(nèi)側(cè)肌肌肉活動平均降低14.15%(p=0.028)。在穿戴外骨骼較無外骨骼上臺階過程中,股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的肌肉活動均有降低。除30 cm臺階條件下的股外側(cè)肌外,穿和不穿外骨骼條件對各受測肌肉的影響均存在顯著性差異。

2) 深蹲起實驗:本測試采集了無外骨骼和穿戴外骨骼在30 cm高度臺階深蹲起時股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌肌電信號,實驗結(jié)果如表7和圖8,其中股直肌肌肉活動平均降低34.18%(p=0.003),股外側(cè)肌肌肉活動平均降低28.53%(p=0.025),股內(nèi)側(cè)肌肌肉活動平均降低18.87%(p=0.033)。在穿戴外骨骼較無外骨骼深蹲起過程中,股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的肌肉活動均有降低,且穿和不穿外骨骼條件對各受測肌肉的影響均存在顯著性差異。

表6 爬升單步臺階實驗中受測肌肉的電信號實驗結(jié)果

表7 深蹲起實驗中受測肌肉的電信號實驗結(jié)果

圖7 單步臺階局部肌電信號數(shù)據(jù)直方圖

圖8 深蹲起局部肌電信號數(shù)據(jù)直方圖

3 分析與討論

根據(jù)人體代謝成本的3次重復(fù)性實驗結(jié)果,對耗氧量、二氧化碳呼出量和單位質(zhì)量凈代謝功率進(jìn)行單因素方差分析和組內(nèi)相關(guān)系數(shù)檢驗,由檢驗結(jié)果可知,3次實驗之間不存在顯著性差異,并存在一致性,故可驗證多次實驗避免了偶然現(xiàn)象,使單次的實驗結(jié)果真實可靠。

根據(jù)代謝成本測試的數(shù)據(jù)結(jié)果可知,使用外骨骼在連續(xù)上臺階過程中平均增加了穿戴者耗氧量3.21%、二氧化碳呼出量1.27%,單位質(zhì)量凈代謝功率2.8%;根據(jù)肌肉活動測試結(jié)果,爬升單步臺階:穿戴外骨骼后的股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的發(fā)力普遍要低于未穿外骨骼時相同動作的發(fā)力程度。從數(shù)據(jù)上可以看到,隨著臺階的增高,人體大腿的肌電信號強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),在穿戴外骨骼后,大腿的肌電信號強(qiáng)度普遍有所降低,說明外骨骼對于上臺階普遍具有局部助力作用。深蹲起:從數(shù)據(jù)可以看出,穿戴外骨骼后股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的肌肉活動量普遍降低。由結(jié)果可知,外骨骼平均降低大腿肌群24.4%的肌肉活動量,可直觀反應(yīng)測試中穿戴外骨骼降低了穿戴者膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩,且符合預(yù)期膝關(guān)節(jié)的理論助力效率。外骨骼雖然在整體上未降低穿戴者的單位質(zhì)量凈代謝功率,但外骨骼能明顯降低人體大腿肌肉群的峰值發(fā)力程度,說明外骨骼對于穿戴者具有局部助力作用。

在6位受試者的代謝測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)存在助力正效果和負(fù)效果的現(xiàn)象,以表 8中受試者3和受試者5的代謝測試結(jié)果數(shù)據(jù)為例,受試者3使用外骨骼進(jìn)行代謝測試,結(jié)果顯示增加了3.13%的單位質(zhì)量凈代謝功率,受試者5使用外骨骼可降低2.29%的單位質(zhì)量凈代謝功率。在連續(xù)上臺階的過程中,存在許多影響代謝成本的因素,步態(tài)的適應(yīng)性、外骨骼的自重、穿戴者的心理因素以及外骨骼綁縛的舒適度都會對穿戴者造成影響。

表8 部分受試者的代謝測試結(jié)果

由于外骨骼的自重是無法忽略的,受試者在穿戴外骨骼進(jìn)行實驗時增加了自身的負(fù)重,外骨骼在對人體進(jìn)行助力時,同時也要抵消外骨骼自重的影響。猜想可能是由于外骨骼的自重影響了實際的整體助力效果。由于外骨骼在不開啟助力的狀態(tài)下,膝關(guān)節(jié)處存在阻抗會對穿戴者施加阻力。因此,設(shè)計一組對照試驗進(jìn)行分析,由于外骨骼樣機(jī)自重10 kg,選取4名受試者進(jìn)行不穿戴外骨骼且背負(fù)10 kg的負(fù)重進(jìn)行連續(xù)爬臺階的代謝成本實驗,模擬只穿戴外骨骼而不開啟助力時的無阻抗?fàn)顟B(tài),并與穿戴外骨骼的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,結(jié)果如表9和圖9。

表9 對照試驗連續(xù)上臺階過程中的 代謝成本指標(biāo)

在負(fù)重10 kg時,平均耗氧量為(29.43±1.23)mL/(min·kg),穿戴外骨骼時平均耗氧量為(28.00±1.71)mL/(min·kg),平均降低了4.42%;在負(fù)重10 kg時,平均二氧化碳呼出量為(26.45±1.81)mL/(min·kg),穿戴外骨骼時,平均二氧化碳呼出量為(24.68±1.75)mL/(min·kg),平均降低了6.69%;通過代謝功率公式計算得平均代謝功率降低了5.27%,說明外骨骼對穿戴者提供了一定的助力,抵消了一部分外骨骼自重的影響。

圖9 對照試驗連續(xù)上臺階過程中的代謝成本 指標(biāo)直方圖

綜上所述,受試外骨骼可為穿戴者提供有效的局部助力,且助力效率基本符合預(yù)期的理想助力效率,在受試者上單層臺階和深蹲起的過程中,可有效降低股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的肌肉活動量,同時由于外骨骼的自重影響了實際的整體助力效果。

4 結(jié)論

1) 受試外骨骼在連續(xù)上臺階的實驗中未能顯著降低穿戴者的綜合代謝成本。根據(jù)對照試驗結(jié)果分析,這主要源于外骨骼自重不能忽略,在外骨骼助力的同時也增加了穿戴者的負(fù)重,暴露出外骨骼為穿戴者提供的助力難以抵消自重帶來的影響,因此,外骨骼需要進(jìn)一步進(jìn)行輕量化設(shè)計。

2) 在爬升單步臺階和深蹲起的過程中,外骨骼可有效降低穿戴者股直肌、股外側(cè)肌和股內(nèi)側(cè)肌的肌肉活動量,降低穿戴者膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩,基本符合預(yù)期的理想助力效率η,對下肢運動具有顯著的局部助力效果。