外骨骼機器人助力效率測試技術研究

趙明升，宋遒志，劉亞麗，馬珮冬

（1.北京理工大學機電學院，北京100081；2.北京體育大學運動人體科學學院，北京100084）

1 引言

近年來，隨著外骨骼機器人研究的不斷深入，外骨骼機器人助力效率的測試尤為重要。攝氧量作為人體代謝能量的主要指標之一，在外骨骼機器人助力助行評估方面應用廣泛，國內外很多研究人員和研究機構都將攝氧量作為評價外骨骼機器人性能好壞的指標之一，例如美國陸軍納蒂克士兵研究、研發與工程中心、美國麻省理工學院極端仿生學中心和比利時根特大學運動與體育科學系等［1-3］。但是，由于在測試過程中影響攝氧量變化的因素很多，不同的測試方案和測試條件會導致測量結果存在差異，文獻［1］研究了使用下肢外骨骼攜帶負荷對代謝成本的影響，發現與不穿戴外骨骼相比，穿戴外骨骼后，人體的攝氧量隨著負載重量的增加而顯著增加；文獻［4］設計了一款欠驅動外骨骼，研究發現與不穿戴外骨骼背負重物相比，穿戴外骨骼背負重物后代謝成本增加了74%；文獻［5］設計了一種無動力踝關節外骨骼，測試發現在自然條件下，該外骨骼使健康的人類使用者的行走代謝成本降低了7.2%；文獻［2］研究發現，當穿上由電池供電的雙側踝關節外骨骼行走時，與不使用外骨骼行走相比，受試者的凈代謝成本降低了11%。

在行走過程中，人體會消耗代謝能量，改變行走過程中的一些因素，例如行走速度、行走坡度等，人體的代謝能量消耗也會隨之改變。文獻［6］研究受試者在跑步機上以不同坡度、不同運動速度背負不同負載重量進行行走，使用氧氣分析儀測試受試者的氧氣濃度，發現隨著坡度、運動速度和負載重量的增加，人體的代謝能量消耗增加。文獻［7］研究了攜帶負載對代謝能量消耗的影響，通過呼吸測量法測試了8名成年人背負不同的背包負載（負載重量最高可達體重的40%）以恒定速度行走時的代謝能量消耗，分析結果發現測量值隨著負載重量的增加而近似線性增加。還有一些研究也表明了代謝能量消耗隨著負載重量的增加而增加［8-9］。

因此，為了探究不同因素如何影響攝氧量，減小在助力效率測試過程中測試方案和測試條件對人體運動攝氧量的影響，并且促進攝氧量指標在外骨骼機器人性能評估方面形成統一的標準，同時也為了研究心率隨著這些因素改變的變化情況，這里開展了在行走過程中改變跑步機的坡度、負載重量和呼吸方式等因素對人體運動攝氧量和心率的影響的研究。

2 實驗設計

這里設計了包括重復性、坡度、負載重量和呼吸方式等測試，分析研究人體運動攝氧量和心率與測試條件變化情況的關系，測試目的和具體測試內容，如表1所示。表中：n—參與測試的人數。

表1 測試目的和具體測試內容Tab.1 Test Objectives and Details

2.1 受試者和測試儀器

本實驗招募9名健康的成年人參加這項研究（N=9，9名男性；年齡=（23.9±1.6）歲；身高=（1.75±0.04）m；體重=（66.8±8.6）kg；平均值±標準差），所有受試者在測試之前都收到了書面知情同意書，并且均同意參加該項研究，期間一些受試者因時間等原因缺席了一些測試。該研究得到了北京體育大學道德倫理委員會的批準。

在測試過程中使用MetaMax 3B 氣體分析儀和polar 表對受試者的攝氧量和心率進行采集與分析。

2.2 測試流程

在測試開始之前，受試者需在跑步機上進行適應性行走，直至適應和熟悉跑步機節奏。測試過程中，首先需監測受試者在安靜坐姿狀態下（空載，即靜息狀態）5min內的攝氧量和心率，靜息狀態結束后開始進行在跑步機上的行走測試，行走測試過程中監測受試者的攝氧量和心率，行走測試完成后再繼續進行靜息8min時的攝氧量和心率的監測，整個測試流程，如圖1所示。每位受試者分別進行重復性、坡度、負載重量和呼吸方式等4種行走測試，具體測試內容，如表1所示。每種測試間間隔48h以上進行。測試過程圖片，如圖2所示。

圖1 測試流程Fig.1 Test Process

圖2 測試過程圖片Fig.2 Test Process Pictures

2.3 數據分析

對于攝氧量數據，分別計算運動前靜息5min和運動過程中最后5min攝氧量數據的平均值，來計算每次測試中行走時期的凈攝氧量，并通過體重（kg）和總重（受試者的體重+負載重量，kg）對其進行標準化（net VO2BM為通過體重標準化后的凈攝氧量數據；net VO2TM為通過總重標準化后的凈攝氧量數據），凈攝氧量的計算公式，如式（1）所示。

對于心率數據，計算受試者在跑步機上運動過程中最后5min數據的平均值進行分析。

3 測試結果

3.1 重復性測試

重復性測試的數據通過SPSS 軟件的單因素方差分析和組內相關系數（ICC）進行檢驗，通過單因素方差分析可以確定各個測量值之間是否存在顯著性差異，通過組內相關系數進行檢驗可確定各個測量值之間的一致性和可靠性。在進行單因素方差分析之前，需要調整分析數據，使其具有正態分布性、方差齊性，以及各個測量值之間具有相互獨立性［10］。對于單因素方差分析，經過檢驗，攝氧量和心率數據均具有正態分布性和方差齊性，并且由于分析的是凈攝氧量數據，所以認為各個數據之間相互獨立。攝氧量和心率數據的單因素方差分析檢驗結果和組內相關系數檢驗結果，如表2 所示。攝氧量數據的顯著性水平P=0.975>0.05，心率數據的顯著性水平P=0.747>0.05，認為三次測量之間不存在顯著性差異；攝氧量數據的ICC 系數為0.674，心率數據的ICC系數為0.748，均在（0.6～0.8）之間，屬于中等一致性。

表2 攝氧量和心率數據的單因素方差分析Tab.2 ANOVA of Oxygen Uptake and Heart Rate Data

3.2 坡度測試

0°和10°坡度下受試者在跑步機上行走時的攝氧量和心率數據，分別如表3和圖3所示。從圖表中數據可以看出，10°坡度時和數據與0°坡度相比增加了121%，心率數據增加了36%。

表3 2種坡度下攝氧量和心率數據的平均值（標準差）Tab.3 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

圖3 2種坡度下攝氧量和心率數據對比Fig.3 Comparison of the Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Gradients

3.3 負載重量測試

2種不同的坡度（0°和5°）下受試者的攝氧量和心率數據，如表4、表5 和圖4 所示。從圖表中的數據可以看出，0°坡度下和心率數據隨著負載重量的增加近似線性增加，而數據則幾乎不變；5°坡度下全部攝氧量和心率數據均隨著負載重量的增加而線性增加；同時5°坡度下全部攝氧量和心率數據均比0°坡度下的數據大。

圖4 5種負載重量下下受試者的攝氧量和心率數據的對比Fig.4 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate Under Five Load Weights

表4 0°坡度下攝氧量和心率數據的平均值（標準差）Tab.4 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 0°Gradient

表5 5°坡度下攝氧量和心率數據的平均值（標準差）Tab.5 Means（SD）of the Oxygen Uptake and Heart Rate at 5° Gradient

對2種坡度下的攝氧量和心率數據進行獨立樣本t檢驗，結果為攝氧量數據的P=0，心率數據的P=0，均<0.05，認為2種坡度下測得的攝氧量和心率數據存在顯著性差異。

3.4 呼吸方式測試

正常呼吸（Normal Breathing，NB）和憋氣呼吸（Without Breath?ing，WB）2種呼吸方式下受試者的攝氧量和心率數據，如表6和圖5所示。從圖表中數據可以看出，憋氣呼吸時攝氧量數據與正常呼吸相比增加了25%，心率數據增加了7%。

圖5 2種呼吸方式下攝氧量和心率數據的對比Fig.5 Comparison of Oxygen Uptake and Heart Rate at two Breathing Patterns

表6 2種呼吸方式下攝氧量和心率數據的平均值（標準差）Tab.6 Means（SD）of Oxygen Uptake and Heart Rate at Two Breathing Patterns

4 討論與分析

本研究指在研究在外骨骼機器人助力效率測試過程中不同的影響因素對人體運動攝氧量和心率的影響。正式測試前先進行重復性測試，根據重復性測試的結果，通過單因素方差分析得到攝氧量數據的顯著性水平P=0.975>0.05，心率數據的顯著性水平P=0.747>0.05，所以可判斷三次重復性測量結果之間不存在顯著性差異，而后又通過組內相關系數對測量結果的一致性進行檢驗，發現攝氧量數據的單個測量的ICC系數為0.674，心率數據的單個測量的ICC系數為0.748，均在（0.6～0.8）之間，屬于中等一致性，所以可以驗證所設計的實驗方法是可重復的，能避免偶然現象，使單次測量結果真實準確。根據坡度測試的結果，發現在10°坡度的跑步機上行走時，與0°坡度相比，受試者的攝氧量和心率均大幅度增加，這證實了提升行走時跑步機的坡度會使人體消耗更多的能量這一結論，該結果與文獻［6］的研究結果一致。

根據負載重量測試的結果，發現在5°坡度行走時全部攝氧量和心率數據都高于在0°坡度行走時的數據，這與前面進行的坡度測試的結果相同。同時進行0°坡度測試時net VO2、net VO2BM和心率數據以及進行5°坡度測試時全部攝氧量和心率數據均隨負載重量的增加而近似線性增加，該結論與其他的一些研究［6-9］的結果一致。經過獨立樣本t檢驗，攝氧量數據的P=0，心率數據的P=0，均小于0.05，認為2種坡度下測得的攝氧量和心率數據存在顯著性差異。從圖4中數據曲線的變化趨勢可以看出，5°坡度測試時攝氧量和心率數據的增長趨勢比0°坡度測試時的數據更具有一致性。根據呼吸方式測試的結果，發現憋氣呼吸時，與正常呼吸相比，受試者的攝氧量和心率數據均有所增加，結果證明當人體憋氣呼吸時，其攝氧量和心率較正常呼吸時會有所提升，該結果與先前假想的憋氣會降低人體的攝氧量水平的結果不符。

5 結論

本研究測試了在行走過程中包括跑步機的坡度、負載重量以及呼吸方式等不同因素對人體運動攝氧量和心率的影響，通過分析總結測試結果，發現在進行攝氧量和心率的測試時，跑步機坡度與負載重量對人體運動攝氧量和心率的影響顯著，并且在坡度運動過程中，人體運動攝氧量和心率變化隨負載重量的增加呈現一致性的變化規律。此外，運動過程中憋氣的呼吸方式會引起代謝能量的增加。除了上述影響因素外，還有一些其它影響因素也會對人體運動時攝氧量和心率產生影響，例如人體行走過程中擺臂幅度、步長步寬以及負載背負方式等。同時由于測試條件和測試人員等因素的影響，本項目中有些測試開展的不到位，還需進一步的深入研究，例如進行坡度測試時增加一些坡度等級，再觀察分析其變化情況；測試是在光滑平坦的跑步機上進行的，這跟實際的平地環境不同；測試的負載重量最大值為20kg，大概占體重的30%左右，如果條件允許還需增大負載重量。