中文 / 英文
案例分享 - 康复

IROS 2025专题 |天津大学：一种适用于长时间头部前屈辅助的可变刚度颈部支撑外骨骼


颈部支撑外骨骼的研究
在一些需要长时间低头作业的岗位中，如外科医生做手术、流水线工人进行装配作业等，工作人员常常要维持头颈部向前弯曲的姿势，头部的重量会使颈部肌肉和骨骼承受较大的负担，导致这类长期从事低头作业的人员患颈部相关疾病的概率显著高于普通人群。然而，目前能为头部提供支撑辅助、有效缓解颈部肌肉负担，且不影响各种环境中正常操作功能的人体工学解决方案却十分匮乏。
基于此，天津大学的研究团队开展了相关研究，设计出一种带有气动驱动拉伸执行器的新型可变刚度颈椎外骨骼，该颈椎支撑外骨骼在柔性状态下允许头部以较小的阻力运动，保障穿戴者在工作中头部动作的灵活性与流畅性，而在刚性状态下则可以为头部提供支撑辅助，有效缓解颈部肌肉负担。该研究成果已被机器人学领域知名会议IROS 2025收录发表。


一、研究方案

该研究团队设计并制作了一款重量仅520g的可变刚度颈椎外骨骼。通过引入变刚度驱动器，这种半主动式外骨骼实现了更轻的重量和更佳的穿戴舒适度。
颈椎外骨骼有两个主要自由度，即矢状面的前屈和轴向旋转。矢状面的前屈自由度受到变刚度驱动器的刚度影响。当变刚度驱动器处于柔性状态且头部在矢状面前屈时，L形支撑杆会被动旋转并作用与变刚度驱动器，此时变刚度可以以较小的阻力伸长，外骨骼不会对正常动作造成明显阻碍；在变刚度驱动器切换成刚性状态后，其抗伸长性显著提高，头部重量通过下巴支撑和L形支撑杆作用到变刚度驱动器上，颈部伸肌得以放松，外骨骼为头部提供稳定支撑。轴向头部旋转则借助导轨连杆机构实现，该机构包含滑轨、滑块、连杆和下巴支撑，头部进行旋转运动时，运动通过连杆传递到滑块，滑块沿导轨滑动以适应头部运动。此外，在头部前屈时，下巴会向颈部回缩，该机构不仅能实现头部无阻碍旋转，还能补偿下巴回缩，保持与下巴支撑的持续接触，从而在不影响支撑功能的情况下，保证头部自由旋转。



图1 颈椎支撑外骨骼的具体结构


基于上述结构设计，研究团队招募被试者开展了外骨骼系统的穿戴测试，评估了外骨骼对颈椎活动范围的影响及辅助支撑性能。


方案创新及优势：

1、外骨骼集成了变刚度驱动器，实现了刚度主动调节，减少对用户正常运动的阻力并提供适当支撑。
2、外骨骼设计考虑了人体生理特征，实现了头部前屈和旋转运动的解耦，保证支撑功能的同时不限制头部旋转。
3、外骨骼质量仅 520g（不含腰部穿戴的控制系统），比大多数现有颈部外骨骼更轻便。
二、实验验证

运动信息采集采用的是CHINGMU上海青瞳视觉科技有限公司开发的光学式运动捕捉系统。该系统配备了4台高速光学相机（MC4000），以110Hz的采样频率记录头部运动信息，运动捕捉系统如图2（a）所示。如图2（b）所示，在被试的躯干和头部共放置了9个标记点（Marker），高速摄像机捕捉标记点的时变位置信息，再由采集软件导出位置变化数据，进而通过计算得到头部的运动范围。


图2 基于光学的运动捕捉实验场景


本研究招募了5名被试者（年龄：25.6±1.4 岁，身高：180.4±4.3 厘米，体重：70.1±7.9 千克）。每名被试者需分别在穿戴（柔性状态）和不穿戴外骨骼的状态下，以自主舒适的速度完成图3所示的三项运动任务。每项任务重复5次，并计算5次实验的平均活动范围。


图3 三项运动任务示意图：矢状面前屈及轴向旋转。


5名被试者穿戴外骨骼前后关节运动范围的平均值对比情况如图4所示。图中颜色柱的长度代表5名受试者运动范围的平均值，误差棒代表其标准差。为了分析结果是否具有统计学意义，对运动范围结果进行配对样本T检验，图中*表示 p<0.05，**表示 p<0.01。

图4 5名受试者各动作下平均运动范围的对比


实验结果表明，穿戴外骨骼时，5名受试者的头部前屈、左侧旋转和右侧旋转的平均活动范围分别为60.4°±4.7°、28.9°±6.5°和32.6°±4.4°。与不穿戴外骨骼的状态相比，头部前屈、左侧旋转和右侧旋转的活动范围分别减少了7.51±6.2%、58.51±8.4%和56.07±5.0%。研究表明，头部前屈的活动范围能够满足外科医生在手术中的实际需求。尽管左右轴向旋转的活动范围有显著下降，但大多数活动仅需用到颈椎总活动范围的20%至40%，而本研究所提出的颈部外骨骼完全可以满足这一需求。


三、实验成果

本研究表明，这种可变刚度颈椎外骨骼能在提供预期头部前屈支撑的同时，不会对正常头部运动造成明显限制。它可减轻颈部肌肉的物理负担，且重量轻、对头部运动限制小，能满足外科手术等场景中长时间头部前屈作业的需求，为解决相关职业人群的颈部健康问题提供了有效途径。


参考文献：

  1. E Tetteh, M S Hallbeck, G A Mirka, “Effects of passive exoskeleton support on EMG measures of the neck, shoulder and trunk muscles while holding simulated surgical postures and performing a simulated surgical procedure,” Appl Ergon, vol. 100, Apr. 2022.
  2. G P Y Szeto, P Ho, A C W Ting, et al, “Work-related musculoskeletal symptoms in surgeons,” J. Occup. Rehabil, vol. 19, pp. 175-184, Apr. 2009.
  3. I Dianat, A Bazazan, M A S Azad, et al, “Work-related physical, psychosocial and individual factors associated with musculoskeletal symptoms among surgeons: Implications for ergonomic interventions,” Appl Ergon, vol. 67, pp. 115-124, Feb. 2018.
  4. T A Plerhoples, T Hernandez-Boussard, S M Wren, “The aching surgeon: a survey of physical discomfort and symptoms following open, laparoscopic, and robotic surgery,” J. Robot. Surg, vol. 6, pp. 65-72, Dec. 2012.
  5. M Wohlauer, D M Coleman, M Sheahan, et al, “SS12. I feel your pain—a day in the life of a vascular surgeon: results of a national survey,” J. Vasc. Surg, vol. 69, Jun. 2019.
  6. P Gorce, J Jacquier-Bret, “Effect of assisted surgery on work-related musculoskeletal disorder prevalence by body area among surgeons: systematic review and meta-analysis,” Int. J. Environ. Res. Public Health, vol .20, Jul. 2023.
  7. E Nutz, J S Jarvers, J Theopold, et al, “Effect of an upper body exoskeleton for surgeons on postoperative neck, back and shoulder complaints,” J Occup Health Psychol, vol. 66, Apr. 2024.
  8. A M Geers, E C Prinsen, D J Van Der Pijl, et al, “Head support in wheelchairs (scoping review): state-of-the-art and beyond,” Disabil. rehabilitation. Assist. Technol, vol. 18, pp. 564-587, May. 2023.
  9. A S A Doss, P K Lingampally, G M T Nguyen, et al, “A comprehensive review of wearable assistive robotic devices used for head and neck rehabilitation,” Results Eng, vol. 19, Sep. 2023.
  10. C A Yee, H Kazerooni, “Reducing occupational neck pain with a passive neck orthosis,” IEEE T-ACES, vol. 13, pp. 403-406, Nov. 2015.
  11. C Zhang, J M Hijmans, C Greve, et al, “A novel passive neck and trunk exoskeleton for surgeons: design and validation,” J. Bionic Eng, pp. 1-12, Dec. 2024.
  12. H Zhang, K Albee, S K Agrawal, “A spring-loaded compliant neck brace with adjustable supports,” Mech Mach Theory, vol. 125, pp. 34-44, Jul 2018.
  13. S P Torrendell, H Kadone, M Hassan, et al, “A neck orthosis with multi-directional variable stiffness for persons with dropped head syndrome,” IEEE Rob. Autom. Lett, vol. 9, pp. 6224-6231, Jul 2024.
  14. B C Chang, H Zhang, S Long, et al, “A novel neck brace to characterize neck mobility impairments following neck dissection in head and neck cancer patients,” Wearable Technologies, vol. 2, Jul. 2021
  15. L Yang, T Wang, T K Weidner, et al, “Intraoperative musculoskeletal discomfort and risk for surgeons during open and laparoscopic surgery,” Surg Endosc, vol. 35, pp. 6335-6343, Nov. 2021.
  16. D G Cobian, N S Daehn, P A Anderson, et al, “Active cervical and lumbar range of motion during performance of activities of daily living in healthy young adults,” Spine, vol. 38, pp. 1754-1763, Sep. 2013.
  17. H Yajima, R Nobe, M Takayama, et al, “The mode of activity of cervical extensors and flexors in healthy adults: A cross-sectional study,” Medicina, vol. 58, May. 2022.
  18. M N Mahmood, A Tabasi, I Kingma, et al, “A novel passive neck orthosis for patients with degenerative muscle diseases: development & evaluation,” J Electromyogr Kinesiol, vol. 57, Apr. 2021.
  19. E A Keshner, D Campbell, R T Katz, et al, “Neck muscle activation patterns in humans during isometric head stabilization,” Exp Brain Rese, vol. 75, pp. 335-344, Apr. 1989.
  20. H Zhang, S K Agrawal, “Kinematic design of a dynamic brace for measurement of head/neck motion,” IEEE Rob. Autom. Let, vol. 2, pp. 1428-1435, Jul 2017.


  • 上一篇:暂无上一篇
  • 返回列表
  • 下一篇:暂无下一篇
联系我们

CHINGMU 在这里为您的动作捕捉之旅提供支持。我们很乐意帮助您找到所需的解决方案。

立即联系我们的专家