IBV通过Xsens和生物力学分析，对新型外骨骼设备进行评估

巴伦西亚生物力学研究所（IBV），是研究人体在与产品、环境互动过程中运动行为的研究中心。最近IBV将研究的重点放在了位于巴伦西亚的福特汽车生产线上，研究所团队使用Xsens MVN Analyze研究工人们对于新型外骨骼设备的使用情况——福特将利用这项研究来确定这种扩展设备在工厂中的应用程度。对此福特公司的工程师Israel Benavid和IBV的高级研究员Juanma Belda Lois向我们介绍了他们的研究进度。

工作场所的安全措施

工效学对于大多数企业来说是一个重要的考虑因素，在装配行业中需要重型起重的环境会增加工人们的安全风险。创造出提高工人工作效率的机械设备的最终目标是通过人体工程学创造出既安全又高效的工作环境。

外骨骼是一种机械可穿戴设备，旨在支持或增强人的身体结构，种类从全套服装到特定肢体功能——例如，可以佩戴机械臂来增加抓取力度。通过佩戴外骨骼，工人可以获得一系列潜在的益处，例如减少肌肉疲劳，以及减少工作压力造成的重复性劳损。但和所有机械技术一样，所有的风险和收益都需要在投入使用之前进行评估。

“我们希望为我们的员工能够找到符合人体工程学的解决方案，并将外骨骼应用在我们的生产线上。我们需要对外骨骼进行深入分析，以确定工人们可以在什么地方，应用何种生物力学原理对其进行使用。”Israel说道。

“当我们开始使用Xsens套装时，我们对结果感到非常满意，因为在设备和机器之间Xsens动作捕捉套装不会受到任何信号干扰。对于我们之前使用的动作捕捉套装来说这是一个很大的优点。”

借助惯性运动捕捉技术，研究人员能够直接在福特的生产线上评估使用套装的工人，从而从真实的工作条件中捕捉生物力学数据。研究人员使用Xsens套装以及其他设备——如肌电图仪——来获取完整的生物力学数据。

“我们使用肌电图传感器和Xsens系统进行了一项试验。测量结果非常好，所以我们决定用Xsens套装来对工人进行测量。”

肌电图无线传感器（EMG），EMG可以将肌肉本身的活动转化为电信号。通过使用惯性运动捕捉获得的附加运动学数据，巴伦西亚生物力学研究所可以获取到更加有深度的试验结果。

“我们的目标之一是能够创建一个记录工人活动的生物力学模型，我们从工人的肌肉活动中获取信息，并对运动进行更深入的分析。我们使用Xsens MVN Analyze进行运动学分析。”Juanma说到。

动作捕捉套装

当用户佩戴上Xsens传感器后，研究人员就可以获得各种运动学测量值，例如运动范围等。与不穿动捕套装的工人相比，目前只发现了一些很小的差别——操作时会发现穿上动捕服装后会减少工人颈部和背部肌肉的横向运动，手臂肌肉后旋的幅度也会相应的减少。

团队测试的一个方面是测试身体的局部缺血问题，造成局部缺血的主要原因是缺乏血液流向某些肢体或器官。当在生产线上的进行车辆底部工作时，工人的手臂通常会长时间向上抬起，这可能会损害血液流动同时也会影响肌肉的运动功能，但现在研究人员通过研究发现了积极的结果：

“当使用套装进行试验时，我们发现工人们可以改变他们的动作。例如，当对汽车底部的螺旋栓进行安装时，外骨骼有助于更好的支撑工人的手臂。我们发现工人的三角肌和斜方肌的活动减少了。这一举动引起了我们的关注，因为这些肌肉群正是人体工程学研究所涉及的区域。”Juanma说道。

数据分析

一旦研究数据被记录下来，Juanma的团队就可以使用软件来分析这些数据，并将其模型化为可视化的结论。

“我们使用Xsens MVN Analyze套装为我们完成的大部分分析提供支持。但我们还需要完成一项符合国际生物力学协会标准的肩部肌肉的单独分析——为此，我们用Python构建了自己的数据库。”Juanma说道。

未来走向

巴伦西亚生物力学研究所（IBV）利用动作捕捉进行了一系列基于人体运动学的研究，使其成为他们的核心技术。

“我从事运动分析工作大约有二十五年了。在IBV，目前我们已经使用Xsens传感器两年了，而福特的这个项目开始于一年前——Xsens测量装置非常适合在自然条件下测量运动数据。”Juanma说。

“目前，我们正在进行另一个由西班牙的基金会资助的腰椎外骨骼工作健康项目。我们最近首次对飞行员进行了运动数据测量，之后将会有更多的飞行员加入到此次计划之中——我们很高兴在我们的研究中继续使用Xsens惯性运动捕捉技术。”马娟说道。

由于需要进行大量的生物力学研究，IBV和福特公司将继续微调工人的工作环境，并通过惯性运动捕捉和人体工程学改善生产线上工人的健康问题。