SPEXOR被动式脊柱外骨骼-优快云博客

SPEXOR：迈向被动式脊柱外骨骼

1 引言

下背痛（LBP）是当今现代社会日益严重的问题。根据2010年全球疾病负担研究（健康指标与评估研究所）中对所有疾病的研究，LBP在欧洲因伤残所损失的生命年数方面排名第一[1]。就总体负担而言，LBP在中欧和东欧排名第三，在西欧排名第一[1]。除了降低患者的生活质量外，LBP还给社会带来经济负担。根据多项针对欧洲国家LBP相关成本的研究，欧洲人均最低成本出现在比利时，为 e116，而瑞典则高达 e209 [2]。这些成本大多与工作能力下降、病假、提前退休和法律索赔有关。为了减少这一问题，诸如教育和培训、调整工作场所、工作流程重组、使用起重机或平衡器等机械辅助设备以及护具等预防措施正被广泛接受[3]。然而，当负荷持续变化（例如搬运工人）或工作场所条件使这些措施无法实施（例如空间受限）时，这些方法并不总是可行。

已经表明，体力要求高的工作与下背痛的患病率之间存在很强的相关性 [4]。这些工作中导致下背痛的动作包括：搬运重物、重复性躯干屈曲和旋转，以及长时间保持弯曲姿势。SPEXOR项目旨在设计一种脊柱外骨骼，如图1所示，以辅助这些动作，从而为健全工人预防下背痛，并支持患有下背痛的工人进行职业再融入。在项目的第一个阶段，将开发一种被动式脊柱矫形模块，以辅助穿戴者的腰椎屈伸。

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2 被动式外骨骼的最先进水平

被动式设备主要用于减轻使用者的负担，而不是放大穿戴者的力量[6]。近年来，已开发出多种被动式脊柱外骨骼。据我们所知，最早的是个人助力提升装置（PLAD）[7],，其设计旨在预防工人的下背痛。PLAD装置是一种基于储存弹性能量概念的外骨骼。当穿戴者弯腰时，弹性元件被压缩并储存能量；当穿戴者回到直立位置时，弹性元件释放能量，外骨骼从而为穿戴者提供辅助[7]。该装置在脊柱、肩部、骨盆和足部与穿戴者进行力的交换。研究表明，使用该装置在举重和静态弯腰过程中，背部肌肉活动显著减少[3]。

弯曲无需求复位装置（BNDR）[8]是一种类似的设备。它同样在穿戴者向前弯曲时储存能量，并在穿戴者恢复直立时释放能量。其框架覆盖穿戴者的躯干和骨盆，并在大腿上部和胸部与穿戴者进行力的交换。与PLAD的一个重要区别是，BNDR会减小躯干屈曲范围，而PLAD在屈曲过程中不会干扰身体运动学。

智能背心Lite（SSL）旨在降低护理工作期间腰椎区域的肌肉负荷[9]。该被动式动力辅助装置采用弹性带，当使用者改变姿势时，这些弹性带会对腰关节和髋关节施加辅助扭矩。此外，一条额外的弹性带环绕躯干放置，以起到稳定作用，类似于束身衣的功能。已证明，通过增加骨盆周围的压力，束身衣可增强腰部支撑或提高腹内压，从而降低椎间盘内压并稳定姿势[9]。

被动式LAEVO外骨骼[3]专为协助护士搬抬患者而设计。该设备在胸部、下背部和大腿上部与穿戴者连接。外骨骼通过环形管将负荷从下背部传递到胸部和腿部。这些环形管位于身体两侧，具有弹簧特性。使用该设备后，在弯腰动作过程中观察到背部和腿部肌肉的显著减轻，同时耐力也得到改善。然而，使用者报告称胸部区域存在不适感。

3 超越极限

以往的设备均辅助躯干屈伸。SSL的有趣之处在于，它还通过使用类似束身衣的腰带稳定姿势。在BNDR中实现躯干屈曲活动范围的减少非常重要，因为已证明在此边界区域内的运动是导致背痛的风险因素[10]。

然而，这些设备并未考虑旋转和/或侧弯。SPEXOR项目开发的被动外骨骼将辅助躯干屈伸，具备可调节的躯干屈曲活动范围限制，并实现可调节的旋转和侧弯角度限制。该被动外骨骼将在不干扰行走和爬楼梯的情况下与穿戴者进行交互。外骨骼与穿戴者之间的接口将被设计为不会引起穿戴者的不适。设计时将注重使外骨骼对穿戴者施加正压力（避免剪切力）。该外骨骼还将被设计得对男性和女性均舒适。

弯腰时作用于躯干的主要力是作用在上半身的重力。该力由正弦函数表征。为了实现比例补偿，将弹簧与凸轮廓结合，类似于[11]。