一种基于特高压直流高空3D 防护柔性外骨骼的健康工效

刘东甲，何川，胡欣钧，云磊

（1 中国南方电网超高压输电公司昆明局，云南 昆明 650217；2 昆明医科大学第一附属医院，云南 昆明 650032；3 广州海同工业技术有限公司，广东 广州 510407）

特高压直流高空作业中，在保障绝对安全性前提下要重视职业健康，特别是多发的腰背肌肉拉伤、腰椎间盘突出、肌骨劳损及心理健康等问题［1－2］。目前作业人员穿戴高空作业安全带是主要的预防手段。柔性外骨骼穿戴产品随着设计、材料和工艺技术等发展，日益突显良好工效、轻量便携、穿戴智能等优势［3－4］，在特高压直流高空作业中受到青睐。外骨骼可有效减少职业劳作工人腰背负荷，发挥助力效果，减少肌肉组织急慢性损伤和相关肌骨疾病发病风险。但目前适用于高空作业场景的柔性外骨骼产品极少。作业人员通常先穿戴外骨骼产品后外穿安全带，存在穿戴程序繁琐、安全带各束缚节点致外骨骼助力传导系统失效、人体工效不佳等问题。本研究基于特高压直流设备高空作业过程及腰背肌骨防护需求，探索合适的3D防护柔性外骨骼开展运动试验初步验证其生理健康防护工效。

1 对象与方法

1.1 研究对象招募10 名健康成年男性作为受试者，近6 个月无肌肉拉伤、腰背疼痛等病史，年龄25～55 岁，身高（168.2± 5.9）cm，体重（65.6 ± 7.3）kg。

1.2 穿戴设备3D 防护柔性外骨骼（图1A）和常用的五点式安全带（图1C）重量分别为2.25 kg、2.28 kg。图1B 显示受访者穿戴设备进行搬运试验现场。柔性外骨骼设有上身固定带、上身松紧调节带、上身胸前互锁挂钩、背垫、背部挂钩、腰间弹性带、腰间安全带、腰间侧系挂钩、臀部承力带、下身互锁挂钩、大腿固定环套、膝盖保护环套及其松紧调节带。

图1 穿戴设备示意图

1.3 实验流程与方法试验前受试者清晰实验流程及注意事项，1 周内无剧烈运动，签署知情同意书。试验当天于早餐或中餐约40 min 后开始，室温23 ℃，相对湿度46%，无疲劳感。热身5 min 后戴好Polar 心率腕表和肺通气量测试面罩（精诚FT－1 肺通气量仪），先后随机穿戴使用安全带或外骨骼设备重复完成5 组搬运，两种穿戴设备试验之间休息间隔至少1 h 至无疲劳感。搬运时，受试者站在离75 cm 高桌子前适当原点位置，将身前地面上10 kg 箱子向前搬到桌上，然后再搬回到地面原点，按30 BPM、BEAT 4／4 的节拍即8 s 完成一次来回搬运，搬运15 次为1 组，停止2 min 内立即记录肺通气量、心率Borg 表和系统可用性量表结果。按以上过程重复共3 组试验。

1.4 观察指标采用每分肺通气量和心率反映每组搬运后心肺生理反应。采用Borg 肌肉疲劳感量表［4］评估运动前后的主观疲劳感，从0～10 分渐进反映完全无肌肉疲累或呼吸困难到最疲累或最严重呼吸困难感觉。采用系统可用性量表SUS（Syestem Usability Scale）［6］，从0～100 分依次反映对外骨骼和安全带的对比接受程度，通常认为＞60 分反映受试者对设备产品的认可。

1.5 统计学方法经过Shapiro－Wilk 检验各数据呈正态分布。采用双因素（穿戴设备× 重复搬运组次）ANOVA 分析。穿戴设备有主效应且对各指标有显著影响，用自身配对t 检验分析穿戴设备在各组时间点的差异，取α ＜0.05 为显著性水平。而重复组次无主效应，两因素无交互影响。

2 结果

2.1 心肺生理反应双因素ANOVA 分析结果提示，穿戴设备种类和先后搬运组次对心率 ［F（3，27）＝3.97，P ＝0.018］、肺通气量 ［F（3，27）＝3.34，P ＝0.034］、Borg 疲劳值 ［F（3，27）＝3.31，P ＝0.035］ 等结果均产生交互影响。随着重复搬运组次增加，心肺机能反应和疲劳感有明显增加的趋势。分别在穿戴外骨骼和安全带条件下，受试者开始搬运前（T0）心率（图2A）和肺通气量（图2B）比较无明显差异，见表1。各组搬运后心率和肺通气量较T0时增加，但穿戴外骨骼低于安全带。穿戴外骨骼受试者心率在T1、T3时明显低于安全带受试者，肺通气量T1、T2、T3时显著低于安全带受试者（P ＜0.05）。

图2 穿戴两种设备搬运试验前后各指标变化比较

表1 穿戴两种设备搬运试验前后各指标结果比较

2.2 疲劳感觉和SUS 评价受试者在搬运后疲劳感觉均在7 级以上，穿戴外骨骼受试者各个时间点疲劳感均低于安全带受试者（图2C）。T1、T2、T3时受试者对外骨骼的认可度评价明显优于安全带，见表1、图2D。

3 讨论

外骨骼逐渐应用于工业生产中，如汽车装配、物流搬运等行业［7］。本研究基于特高压直流设备作业需求和人体工效学基本原则探索设计一款3D 防护柔性外骨骼，开展室内搬运试验模拟频繁弯腰提拉作业，初步检验其可能的健康工效。本研究结果提示，与目前常用的安全带相比，穿戴此外骨骼设备可能降低人体机能反应和疲劳感，节省能耗。搬运试验采用每组搬运2 min、每两组之间休息2 min、连续3 组的方式完成，使对比研究更稳定可靠。SUS 评估量表结果提示，新设计的外骨骼可能更受使用者认可，但整体评价60 分左右，仍需要从穿戴舒适度、系统控制策略、局部压力感知缓解等方面优化设计。人机协同运动中，由于人机不可能完全运动匹配引起局部感知压力的存在，而些许不适也会影响穿戴者的接受程度及推广使用［8］。但本研究也存在一些不足，如对运动试验后延迟性疲劳和机能反应监控、长期穿戴使用对慢性腰背劳损的防护效果、高空多种场景作业实际需求优化和应用设计及工效评价等。

总体上，本研究初步检验了基于特高压直流高空作业的3D 防护柔性外骨骼对搬运工作中即刻的人体机能反应的影响及设备系统可用性感受，为之后的改进提供参考，最终发挥其缓解作业过程腰背压力和疲劳、预防肌骨损伤、提供助力和提升高空工作效率等作用。