重复性举起物体可能会对脊柱和背部肌肉造成损伤，由此引发的腰椎损伤是工业环境等工作场所中一个普遍且令人关注的问题。为了减轻这类伤害，有研究人员已经研发出在举起任务中为工人提供辅助的背部支撑装置。然而，现有的这类装置通常无法在非对称性的举重过程中提供多维度的力量支持。此外，针对整个人体脊柱的设备安全性验证也一直是一个缺失的环节。
据探索前沿科技边界，传递前沿科技成果的X-robot投稿，来自首尔国立大学的研究团队前不久对此进行了深入研究，并受到人体脊柱和背部伸肌的解剖特征启发，提出了一种机器人背部支撑装置——主动式双侧背部伸肌外骨骼套装 (BBEX)。该设备采用了多自由度架构与串联线性致动器，其内部组件布局严格模拟了人体脊柱和背部伸肌的生物力学特性，允许在运动中实现多个自由度。在执行举重等力量需求较高的任务时，该设备可提供多维力量支持，有效辅助使用者完成各项动作，并显著降低佩戴者脊柱的压力。
经过深度剖析上部和下部竖脊肌在各种举重环境下的肌肉疲劳模式，以及考察脊柱关节在这些活动中所承受的机械压力，研究人员对设备的安全性进行了全面测试与验证。结果表明，这一研究成果为预防严酷工作条件下腰椎损伤的长期挑战，提出了一种可行的解决方案。
该研究成果的相关内容已以“Bilateral Back Extensor Exosuit for multidimensional assistance and prevention of spinal injuries”为题发表在《Science Robotics》上。BBEX的设计具体是如何实现的呢？接下来，和机器人大讲堂一起来深入了解吧！
▍BBEX的多维辅助机制与系统构成
人体脊柱是一种复杂的生物力学结构，由多椎骨和椎间关节构成，可实现多自由度运动。每个椎间关节含一个椎间盘和两对小关节，分别负责缓冲和控制弯曲、扭转，共同使脊柱在屈伸、侧弯和轴向旋转三个旋转自由度上灵活。竖脊肌紧贴脊柱两侧，与脊柱解剖结构紧密配合，协助脊柱进行多种运动，对协调脊柱多自由度运动至关重要，尤其在执行不对称举重时。BBEX在形态和功能上便模拟了人体脊柱，特别是在背部伸肌方面。
据了解，BBEX主要由枕骨模块、四轨扭转弹性旋转轨道致动器、背部接口部件及电气元件等组成，总重约5.75公斤。其多维辅助系统——次级竖脊肌机制（SES），受人体脊柱和竖脊肌启发设计，由一系列串联的驱动模块构成，每个模块包含一个椎骨块、球窝关节和线性执行器，模拟竖脊肌的双侧配置，可实现类似于人体脊柱的三自由度旋转。在举重时，这种机制可以提供有效的多维支持，减轻背部肌肉的力量需求，还能降低各种脊柱关节上的关节压力，特别是在那些背部肌肉力主要产生关节剪切力的情况下，辅助力能够有效减少这些力量的影响。
枕骨模块：集成SES机制椎骨块与球窝关节
椎骨模块设计的核心目的是将SES机制中的椎骨块与球窝关节整合一体。为了确保BBEX与宿主系统，即人体脊柱的完美对齐，理论上椎骨模块的数量应与构成脊柱的椎骨数量相匹配。但这一要求不可避免地增加了系统设计的复杂性。
为了简化这种复杂性，研究团队在设计时将BBEX优化为包含四个椎骨模块：一个模块对应脊柱的上部区域，两个模块对应中部区域，而最后一个模块则针对脊柱的下部区域。每个模块由一个椎骨块和两个恒速 (CV) 关节组成，其中每个CV关节都承担了类似球窝关节的角色。
在上部模块内，CV关节的外壳与椎骨块紧密结合，其蓝色法兰轴充当球窝接头的功能。而在中间模块中，设计引入了额外的功能层次，通过将CV关节的球形外壳与模块的凹窝连接，使得蓝色法兰轴和球形外壳都能独立执行球窝运动。至于下部模块，设计中将外壳嵌入至圆柱形轴承并连接到电机，在此，蓝色法兰轴再次发挥球窝接头的作用。
4R-TERRA：SES机制线性制动器
同时，研究团队开发了原始TERRA机制的增强版——四轨扭转弹性旋转轨道致动器（4R-TERRA），用于作为SES机制的线性致动器。这种致动器被精心设计以适应提出的可穿戴设备，满足对于行程长度和耐用性的要求。4R-TERRA作为一种柔性线性执行机构，它利用螺旋扭转结构生成线性运动。
人体的骨骼肌在力度上表现出与长度相关的特征；随着肌肉的伸展，其主动产生的力量减少，而对被动张力的依赖增加。特别是在屈曲姿势下，外部力量的补充对于减轻背部主动肌肉的力量尤为关键，这有助于防止因肌肉过度使用和拉伤导致的损伤。
与生物肌肉的特性相比，4R-TERRA展现出一种相反的行为模式。在保持输入扭矩不变的情况下，它在伸长状态时能够产生更大的力。这种独特的特性说明4R-TERRA能有效补充肌肉的功能，在应用于研究团队的设备时，这一优势显得尤为重要。鉴于在执行举重任务时，屈曲姿势比伸展姿势需要更多的辅助力量，4R-TERRA能在屈曲状态下伸长，并以最小的输入扭矩提供必要的支持力量。
为了达到这一目的，研究中一共使用了六台4R-TERRA。其中三台通过CV接头串联配置，创建了双边设置。电机驱动安装在最下方CV接头上，这促使串联的4R-TERRA同步旋转，同时维持等长状态，因为两端的CV接头共享旋转功能。
背部接口：保证BBEX中心线与背部中心线一致
为确保BBEX的中心线与佩戴者的背部对齐，研究团队设计了一个综合系统，该系统结合了可拉伸弹性体、导向轴承和柔性柱。可拉伸弹性体被放置在BBEX的下部，直接与佩戴者的背部接触，并集成了四个均匀分布的导向轴承。与这些导向轴承相连的柔性柱采用I形横截面设计。在佩戴者背部运动时，弹性体的伸长引起导向轴承同步伸展，进而使柔性柱相应地配置，以保持与背部中心线的对齐。
BBEX的每个椎骨模块都与柔性柱耦合，以保证BBEX的中心线与背部中心线的一致性。然而，由于4R-TERRA的长度固定，需要额外的自由度来支持BBEX在各种背部运动中的最佳功能。因此，每个中间模块都需要两个额外的自由度。
为满足这一需求，研究团队在系统中加入了移动块，为中间模块提供了额外的移动性，使它们能够沿着柔性柱滑动和旋转。这种多自由度背部接口使得BBEX能够在各种背部运动过程中实现并维持脊柱对齐。
锚定机制：传递BBEX辅助力
研究团队精心设计了基于纺织品的锚定机制，以传递BBEX产生的辅助力。该设计强调了高刚度材料的运用和策略性的布局，确保力量能够高效传递至佩戴者，同时兼顾佩戴者的舒适度，且不限制自然运动。锚定系统采用如鲍登线和绑带等高刚度材料，并战略性地选择脚部、肩部和背部等变形较小的身体部位，以提高系统的整体刚度，优化力的传递效率。
下部锚定机构由Bowden缆及其护套、高刚度带、膝带和套鞋构成。Bowden缆固定在底部模块上，通过护套内以最小摩擦力滑动，其两端通过带子连接至膝带和套鞋，形成高刚度连接线。此配置确保BBEX底部模块在施力时保持牢固，且变形极小。缆线布局允许髋关节自然运动，如屈曲时前缆缩短而后缆伸长，以不限制自然运动。
上部锚定机构包括肩部、胸骨和背部绑带。肩部绑带连接至BBEX顶部模块并通过胸骨绑带连至背部绑带。这些高刚度绑带形成的躯干包裹线覆盖身体刚度较高的区域，实现顶部模块的牢固锚定和辅助力的有效传递。此外，线路设计考虑到非伸展线，保证在不同躯干运动中长度一致，从而不限制躯干的运动范围。
▍BBEX的功能性与安全性评估
为了全面评估BBEX的功能性和安全性，精心挑选了11名健康男性参与者，通过让他们在佩戴与不佩戴BBEX的情况下执行对称和不对称举重任务来进行实验。
ROM 和脊柱排列
在ROM 和脊柱排列测试中，佩戴BBEX的情况下，用户的活动范围（ROM）并未受到明显限制。具体而言，腰椎屈曲、侧屈和轴向旋转的峰值关节角度仅分别出现了2.49%、0.03%和0.01%的微小变化。重要的是，通过配对t检验的分析方法，这些细微的变化在统计学意义上并不显著，从而进一步证实了BBEX在日常活动中对用户活动自由度的影响微乎其微。
此外，研究团队还对BBEX与佩戴者脊柱的对齐程度进行了精确测量。结果显示，在三个主要方向上，BBEX与脊柱的高度对齐度均达到了0.98的余弦相似度值，这一数据不仅体现了BBEX设计的精准性，也确保了其在实际应用中的高效性能。
为了确保这些结论的准确性，研究团队采用了补充方法进行验证，并通过提供了如上图所示的直观证据支持，证明了BBEX在设计上的科学性和实用性，确保了佩戴者在使用BBEX时能够保持自然的活动能力，同时享受设备带来的各项益处。
姿势估计和多自由度辅助
在姿势估计和多自由度辅助测试中，研究团队对BBEX在对称及不对称举重任务中对佩戴者姿势的高精度估计能力进行了验证。
利用BBEX内置的运动模型，研究团队能够准确捕捉佩戴者的姿势变化。在对所有参与者进行的30次举重测试中，对称和不对称举重任务的总姿势误差分别仅为21.99 ± 3.12毫米和22.19 ± 3.60毫米。这些数据表明，BBEX在姿势估计方面具有高度的准确性和可靠性。
值得注意的是，在伸展姿势（即0秒和8秒时）中观察到较大的姿势误差，而在放低背部阶段误差逐渐减小，随着佩戴者接近屈曲姿势，误差又逐渐增大。这一现象可能与佩戴者在不同姿势下的运动特性有关。
进一步地，研究团队的实验还证实了BBEX在提供多自由度辅助方面的有效性。通过调节双侧4R-TERRA的辅助力，BBEX能够根据实时估计的佩戴者姿势主动调整辅助力度，以适应对称和非对称举重任务中外部负载所产生的扭矩。这些发现不仅凸显了BBEX在姿势估计和多自由度辅助方面的先进技术，也为其在实际应用中提升用户体验和效能提供了坚实的科学依据。
心率和自觉用力程度
在评估BBEX对身体强度水平的影响时，研究团队特别关注了心率（HR）和自觉用力程度（RPE）两个指标。在对称与不对称举重任务中，BBEX均有效降低了身体强度水平。通过双向重复测量方差分析（ANOVA），研究团队发现BBEX对HR和RPE的主效应均达到显著性水平。进一步的配对t检验证实，BBEX对HR和RPE的影响具有统计学意义。
具体数据显示，在对称举重任务中，使用BBEX和未使用时的HR分别上升了15.40%和23.14%，而不对称举重任务中HR的增加分别为13.15%和26.53%。这表明BBEX在对称和不对称举重任务中，分别使最终HR降低了18.90%和28.40%。就RPE而言，对称举重任务中使用和未使用BBEX的条件下，RPE分别增加了50.75%和53.50%；在不对称举重任务中，这一数据分别为50.56%和59.72%。由此可知，BBEX在对称和不对称举重任务中，使最终RPE分别降低了7.89%和10.70%。这些结果明确表明，BBEX有效减轻了运动强度的生理效应（HR）和参与者的感知水平（RPE）。
肌肉疲劳
在探讨BBEX对肌肉疲劳的影响时，研究团队发现在对称与不对称举重任务中，BBEX均显著减轻了下竖脊肌（LE）和上竖脊肌（UE）的肌肉疲劳。通过双向重复测量方差分析，结果显示BBEX对LE和UE的中位频率（MDF）主效应均具有显著性。进一步的配对t检验证实，BBEX对LE和UE的MDF产生了统计学上显著的影响。
具体数据显示，在对称举重任务中，使用BBEX与未使用时，LE的MDF分别降低了22.70%和27.56%，而在不对称举重任务中，MDF的降低分别为18.10%和30.56%。这表明BBEX在对称与不对称举重任务中，分别使最终的LE肌肉疲劳（表现为MDF的降低）减少了17.69%和40.78%。对于UE，在对称举重任务中，使用与不使用BBEX时，MDF分别降低了17.98%和22.65%，在不对称举重任务中，MDF分别降低了10.81%和22.94%。这表示BBEX在对称与不对称举重任务中，分别使最终的UE肌肉疲劳（同样表现为MDF的减少）抑制了20.60%和52.87%。
然而，对于半腱肌（ST）和臀大肌（GM），在两种举重任务中均未观察到统计学上显著的影响。通过对肌肉疲劳的分析，研究团队确认BBEX有效减少了背部伸肌群的劳累程度。
身体运动学和关节反作用力
在分析BBEX对佩戴者身体运动学的影响时，研究团队发现在对称举重任务中，BBEX并未改变脊柱和臀部的运动学特性。
具体来说，髋屈曲的峰值关节角度以及三种主要的脊柱运动——腰椎屈曲、侧弯和轴向旋转——均未受到统计学上显著的影响。然而，在非对称举重任务中，情况有所不同：BBEX显著改变了脊柱的运动学特性。双向重复测量方差分析显示，BBEX对髋屈曲和腰椎屈曲的峰值关节角度的主效应具有显著性。进一步的配对t检验证实，BBEX对这些角度产生了统计学上显著的影响。使用BBEX后，腰椎的峰值屈曲角度在运动的初期增加了23.01%，中期增加了21.77%，末期增加了18.23%；而髋关节的峰值屈曲角度在初期减少了11.25%，中期减少了13.10%，末期减少了13.16%；轴向旋转的峰值角度在初期减少了13.58%，中期减少了29.17%，末期减少了46.61%。
在探讨BBEX对脊柱负荷的影响时，研究团队通过分析L1/L2、L2/L3、L3/L4、L4/L5和L5/S1关节的压缩力来进行。两种举重任务中，BBEX对所有关节的峰值压缩力主效应均显著。事后配对t检验进一步显示，BBEX在所有测试阶段均有效降低了关节的峰值压缩力，且结果具有统计学意义。使用BBEX后，在对称举重任务中，L5/S1关节的峰值压缩力在初始阶段降低了15.6%，中期降低了15.4%，末期降低了13.2%；L1/L2关节的峰值压缩力在初始阶段降低了7.76%，中期降低了7.14%，末期降低了5.24%。在非对称举重任务中，使用BBEX后，L5/S1的峰值压缩力在初始阶段下降了13.2%，中期下降了13.3%，末期下降了15.2%；L1/L2的峰值压缩力在初始阶段下降了16.4%，中期下降了16.2%，末期下降了17.4%。通过这一系列的肌肉骨骼分析，研究团队确认BBEX有效减轻了下背部关节的脊柱负荷。
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参考文章
https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adk6717